[发明专利]基于地基反应模量边界条件的盾体有限元仿真分析方法

说明书

本发明提供了基于地基反应模量边界条件的盾体有限元仿真分析方法，属于零件受力分析领域，包括第一步：对盾体三维模型进行简化并导入Ansys WorkBench中，给出网格划分尺寸；第二步：对盾体一圈推进油缸所支撑的位置施加盾体轴向的位移约束条件；第三步：对盾体外部与土体接触的表面施加切向约束，即限制盾体旋转运动的约束，用来模拟土壤摩擦对盾体旋转运动的限制；第四步：选择盾体外面，对盾体径向添加地基反应模量弹性边界条件；第五步：对盾体结构有限元模型施加工况载荷；第六步：对盾体有限元模型进行求解，读取最大应力值及最大变形量。本发明能够更准确地模拟盾构机周围土体对盾体的约束条件，使得分析结构更加精准。

技术领域

本发明属于受力分析方法领域，涉及盾构机的受力分析，尤其涉及基于地基反应模量边界条件的盾体有限元仿真分析方法。

背景技术

盾体是隧道盾构机的主体部分，其前部连接刀盘及刀盘驱动，将刀盘及刀盘驱动固定于盾体；后部牵引后配套拖车；内部连接有管片拼装梁，用来行走管片拼装机，内部还装有人仓、管路等其它结构及设备，其外部壳体与刚刚开挖的隧道内表面接触，起到支撑隧道的作用。

盾构机盾体结构在工作中起着重要作用，其工作时工况变化多，受力变化复杂，安全性及可靠性显得尤为重要，因此在设计时都会对盾体进行受力分析及校核计算，多数设计者会借助有限元分析软件对盾体结构进行仿真分析计算，对盾体结构进行有限元分析时，需要对盾体施加合理的边界条件(约束条件)，边界条件施加的合理性直接影响着计算结果的准确性。在传统的分析中，盾体周围隧道土体对盾体的边界条件(约束条件)施加并不十分准确，主要分为以下两种：一种是将盾体周围施加为固定边界条件，这种约束方式忽略了压力作用下土体的弹性及变形，与实际情况有差异，使计算结果偏于保守；另一种是在盾体周围添加弹簧单元，利用弹簧单元模拟地基土体的弹性及变形情况，这种方法虽然考虑了地基的弹性和变形情况，但是需要在盾体周围添加许多弹簧单元，并需要准确定义每个弹簧的阻尼系数，这是比较难做到的，而且工作量较大。

发明内容

本发明要解决的问题是在于提供基于地基反应模量边界条件的盾体有限元仿真分析方法，代替传统的固定约束条件及添加弹簧单元的边界条件施加方法，能够更准确地模拟盾构机周围土体对盾体的约束条件，使得分析结构更加精准，相对传统的分析方式，在保证安全性的前提下，降低安全系数，简化并最大程度的优化盾体的结构，降低盾体的设计加工和制造成本。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：基于地基反应模量边界条件的盾体有限元仿真分析方法，包括第一步：对盾体三维模型进行简化并导入Ansys WorkBench中，检查接触面确认无误，添加网格划分方法为扫略网格，给出网格划分尺寸；

第二步：对盾体一圈推进油缸所支撑的位置施加盾体轴向的位移约束条件；

第三步：对盾体外部与土体接触的表面施加切向约束，即限制盾体旋转运动的约束，用来模拟土壤摩擦对盾体旋转运动的限制；

第四步：.选择盾体外面，对盾体径向添加地基反应模量弹性边界条件，用来模拟周围土体对盾体径向位移的约束；

第五步：对盾体结构有限元模型施加工况载荷，所述工况载荷包括拖车牵引阻力、刀盘工作所传递扭矩、刀盘及刀具受压所传递的轴向载荷、盾体沿隧道轴向摩擦粘附阻力、前盾切入土体的切入阻力、管片梁及管片拼装引起的载荷等，对所述工况载荷按照国标进行放大组合后施加于盾体有限元模型上；

第六步：利用ANSYS求解器，对盾体有限元模型进行求解，得到盾体正常掘进工作工况的应力分布云图及变形云图，读取最大应力值及最大变形量。

进一步的，在所述第一步中，在对盾体进行简化的时候，需要删除对整体结构强度没有影响且不处于应力集中位置的孔、倒角或圆角等特征。