基于Creo的土壓平衡盾構機整機Top-Down設計

孟曉寧 劉國威 劉曙光

（濟南重工股份有限公司，濟南 250109）

盾構機是專用于隧道建設的工程機械，具有開挖切削土體、改良與輸送土碴、拼裝隧道襯砌、測量導向糾偏等功能[1]，廣泛用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電等隧道工程，是衡量一個國家裝備制造業水平和能力高低的重大關鍵裝備。

盾構功能的完善決定了其結構的復雜性，若采用傳統的獨立設計，即使設計師使用Creo的參數化設計建模，各部件間也難以做到協調設計，并存在大量的重復性操作，同時，由于模型間邏輯參考復雜，致使后續設計變更困難，實現不了真正意義上的參數化建模，無法保證設計質量和效率。

Creo軟件是美國PTC公司基于特征參數化設計的機械設計軟件。Creo的Top-Down（自頂向下）設計工具可以準確有效地將設計意圖自頂向下傳遞，實現上級對下級的控制，具有解決復雜產品設計、產品具有較好的可修改性、可實現協同設計、有效傳遞控制設計意圖、快速產品變型等優點。利用該工具完成土壓平衡盾構機的整機參數化建模，可有效控制整機參數、實現協同設計、提高設計效率，減少設計后期修改時間。

1 Top-Down設計方法

1.1 設計工具

Top-Down是一種設計思想，一種自上而下、逐步細化的設計過程，其設計工具有：Layout布局、Skeleton骨架、發布幾何、復制幾何等。

Layout布局以2D的形式表達產品的大致結構圖，通過定義關鍵尺寸和主要設計參數實現2D與3D的設計集成。Skeleton骨架是設計的框架，用來定義產品的外形輪廓、系統間接口、空間定位等，頂級設計信息放置在頂級組件的骨架模型里，按需將信息分配到合適的子組件骨架。復制幾何是在部件骨架中使用拷貝外部幾何的方法繼承總體骨架中創建的發布幾何，然后進行詳細設計[2]。

1.2 設計流程

Top-Down設計的典型流程主要分總體設計階段、部件設計階段和總體裝配階段。總體設計階段的任務流程為：創建產品總裝配；創建產品總骨架；創建基準面、坐標系、曲線、曲面等特征，完善骨架；創建布局文件，并在骨架模型中聲明，建立驅動關系（也可直接在總裝配模型中建立參數和關系式實現產品驅動）；針對不同子部件發布幾何。部件設計階段的主要任務有：創建次級裝配及骨架；打開次級骨架，外部復制總體發布的幾何，按坐標系對齊；細化設計次級骨架；返回次級裝配，建立所屬零部件（參考同級骨架模型）。總體裝配階段是指打開產品總裝配，采用坐標系對齊的方式安裝各次級裝配。

1.3 設計原則

產品在利用Top-Down參數化設計時，設計過程中會有大量的參考關系，若設計理念不明確、設計過程不規范，會使模型的參考關系混亂，繼而導致產品修改困難、再生失敗、循環參考、原始的設計意圖意外變更等。因此，設計中應掌握以下原則[3]：頂級骨架模型不參照任何其他模型，是一切控制參考的源頭；子裝配通過坐標系僅和上級骨架模型裝配，不參照非骨架模型；子裝配中的骨架僅參考上級骨架或聲明布局，不參照非骨架模型；子裝配中的零件僅參考本裝配內部的骨架，不參照子裝配以外的模型；零件和零件之間盡量不互相參照，盡量都只參照本子裝配內的骨架，如果必須參照，只允許后來的零件參照前面的零件；部件設計時只打開本部件進行設計，不在頂級裝配中修改子裝配或零件。

2 土壓平衡盾構機Top-Down設計

2.1 設計理念

在進行產品設計時首先要確定設計意圖、明確產品架構，這樣才能更好地掌握產品總裝及其部件間的關系層次和空間布局，以建立合理的骨架模型，保證產品相關性、一致性。土壓平衡盾構機是一個復雜的機械系統，其零部件的組成情況復雜，數量巨大，按照盾構機的組成原理和工作結構特點，以及機械連接不可拆卸原則把盾構機劃分成如圖1所示的層次樹型邏輯建立盾構機模型[4-5]。

層次樹形中，頂層即為土壓平衡盾構機整機總裝配，總骨架建立在該層；第一層為整機的直屬部件，每個部件可單獨建立裝配和所屬骨架，該骨架將總骨架中的發布幾何復制過來，完成參數傳遞；第二層為第一層部件的直屬零部件，可視其復雜程度選擇直接在上級部件中建立或單獨建立；依次往下直至第N層完成整機設計。另外，在進行設計時，應注重零部件、特征、參數等命名的規范性，做到清晰、有序、便于管理。

2.2 整機裝配和總骨架建立

新建總裝配100-000-000-000.asm和所屬總骨架100-000-000-000_SKEL.prt，骨架中主要包含三種設計信息：子部件的外形輪廓、子部件的空間占位和子部件之間的接口尺寸，其他詳細的設計信息可建立在子部件所屬的骨架中。

盾構機的設計是針對性設計，即根據施工需求來確定結構和尺寸，重要的設計參數如管片尺寸和開挖直徑，管片尺寸決定盾體外徑，開挖直徑決定刀盤直徑，首先定義如圖2所示參數，然后根據上述三種設計信息按部件完善骨架特征。

以刀盤為例，刀盤的外形輪廓可簡化為大圓環、扭腿和法蘭三部分，以刀盤面板面為坐標原點面，通過定義相關參數和表達式完成刀盤外形輪廓和空間占位的設計，如圖3所示。另外，刀盤法蘭與主驅動的驅動盤通過多組螺栓連接，刀盤管路后端面通過法蘭與回轉接頭連接，這兩部分均涉及部件間連接，參數化設計時需將接口尺寸在骨架中表達出來，避免后期尺寸不統一，無法組裝，如圖4所示。與刀盤的設計過程相同，完成包括主驅動在內的主要部件的骨架參數設計，并利用發布幾何工具將設計信息按部件需要進行發布，方便子骨架復制引用，如圖5所示。

圖1 土壓平衡盾構機的層次樹型

圖2 初始參數定義

圖3 刀盤外形輪廓和空間占位設計

2.3 各部件子裝配和子骨架建立

以整機子部件刀盤為例，新建子裝配100-001-000-000.asm和所屬子骨架100-001-000-000_SKEL.prt，利用復制幾何功能將總骨架中發布幾何通用和001刀盤兩部分內容均復制過來，完成設計參數傳遞，如圖6所示。

圖4 刀盤接口尺寸設計

圖5 整機骨架模型

完成復制幾何后，即可根據刀盤結構需求細化子骨架。此時，可以繼續創建面向刀盤零部件的發布幾何，零部件復制刀盤骨架模型的發布幾何進行詳細細化設計；也可以直接在刀盤裝配下創建零部件，激活零部件，參考刀盤骨架模型進行零部件詳細設計。圖7為六主梁刀盤骨架細化后的模型樹，設計人員參考此骨架即可完成刀盤的參數化設計。

與刀盤的設計過程相同，完成包括主驅動在內的主要子部件的裝配和骨架建立。完成后，各子裝配通過坐標系安裝到總裝配中，土壓平衡盾構機整機Top-Down參數化設計即完成。

圖6 刀盤骨架—復制幾何

圖7 刀盤骨架—細化

3 結語

本文給出了Creo 2.0軟件Top-Down設計的設計過程及相關技術，并基于該技術介紹了土壓平衡盾構機整機Top-Down參數化建模方法。利用該方法進行盾構機設計可實現產品設計系列化，大大縮短產品開發周期，加快產品投入使用，提高經濟效益。