[发明专利]一种盾构隧道管片接缝密封垫截面优化方法及系统

权利要求书

1.一种盾构隧道管片接缝密封垫截面优化方法，其特征在于，所述方法包括：

S1，通过分析实际工况，建立密封垫和沟槽的2.5D截面模型和有限元模型；

S2，对密封垫有限元模型施加载荷完成压缩模拟，并提取密封垫表面接触应力分布，计算出接触应力最大值、平均值以及压缩力；

S3，采用圆锥平面接触模型和Roth模型建立微观下密封垫表面泄漏模型，基于泄漏模型推导泄漏率公式，并计算出泄漏率；

S4，以泄漏率和接触应力为指标对密封垫截面进行优化，得到优化后的界面模型。

2.根据权利要求1所述的盾构隧道管片接缝密封垫截面优化方法，其特征在于，S2具体包括：对下沟槽进行固定约束，并上下移动上钩槽，对密封垫施加不同的压缩力，以构建有限元模型下密封垫的压缩模拟，并提取密封垫表面接触应力分布，基于密封垫表面接触应力分布，获取接触应力最大值、平均值以及压缩力。

3.根据权利要求1所述的盾构隧道管片接缝密封垫截面优化方法，其特征在于，S3具体包括：

S31：首先选用微观接触模型，根据表面轮廓仪的观察选用更符合实际情况的圆锥平面接触模型，再选用Roth模型为泄漏通道模型，其中，Roth模型是用连续相同的等腰三角形简化随机粗糙峰，模型结构简单直接，便于计算和分析流体在接触面间的泄漏情况；

S32，对泄漏率的计算公式进行推导，假设密封垫间液体为均匀牛顿流体，根据雷诺数可判断其流动状态为层流，液体流动的Navier-Stoks方程为：

方程一：

式中，ρ是流体密度；v是速度矢量，u,v,w是流体在t时刻，在点(x,y,z)处的速度分量；P是压力；f是单位体积流体受的外力，若只考虑重力，则f＝ρg；常数μ是粘性系数；

将流动简化为一维流动，且忽略液体流动过程中的惯性力以及质量力，则上述方程满足以下条件：

v＝w＝0

f_x＝f_y＝f_z＝0

其中，流体的密度ρ为常数，流体粘性系数μ也为常数，Navier-Stoks方程可化简为：

方程二：其中，u是液体层流速度；

对方程二连续积分两次可得：

方程三：

将边界条件y＝0,u＝0；y＝h,u＝0代入方程三可得速度分布函数

取泄漏通道中得一个微元，令其横截面积为

对单个泄漏通道积分可得其体积泄漏率为：

方程四：

假设密封垫的接触长度为L，每个泄漏通道的底边宽度为则泄漏通道的数量为所以总的泄漏率为：

方程五：

其中，h为间隙高度，为锥角，Δp为密封界面内外两侧压差；L为密封面长度；B为密封宽度；μ为流体的粘度系数，即水的粘度系数。

4.根据权利要求1所述的盾构隧道管片接缝密封垫截面优化方法，其特征在于，所述S4具体包括：

S41，根据泄漏率数值、接触应力平均值、最大值以及压缩力对当前密封垫截面形状做出优劣评价，根据沟槽和密封垫表面的接触应力分布规律，观察压缩过程中的密封垫形态变化，得到由多参数控制的密封垫截面形状优化策略；

S42，在最大压缩力、最大压缩量以及密封垫截面面积与沟槽面积比值约束范围的约束条件下，以泄漏率小、接触应力大以及压缩过程中密封垫均匀的形态变化为目标，选取最终的密封垫截面形状。

5.根据权利要求3所述的盾构隧道管片接缝密封垫截面优化方法，其特征在于，S41具体包括：根据S2的有限元模型压缩模拟结果，将接触应力平均值作为微观锥形峰的加载，以均布载荷的形式加载在锥形峰的顶面，完成加载后记录锥形峰的高度，代入S3的泄漏率公式，从而计算出泄漏率，记录S2的接触应力平均值、最大值和压缩力，观察密封垫压缩过程中的变形状况，提取密封垫接触面上各点垂直于接触面方向的位移，以量化密封垫压缩过程中的形态变化。