[发明专利]矩形曲线顶管顶进施工力学特性研究与优化设计

权利要求书

1.矩形曲线顶管顶进施工力学特性研究与优化设计，其特征在于，其具体包括如下步骤：

S1、确定矩形曲线顶管顶进施工过程中顶管上的荷载分布，并计算荷载；

S2、建立矩形曲线钢顶管多体系统动力学模型，根据多体动力学基本理论，通过模型获取动力学普遍方程、广义速度公式、动力学控制方程和多体系统的动力学控制方程；

S3、确定计算模型和连接器单元运动约束属性，操作SDK使用两节点连接单元在系统各部分之间建立联系，并通过定义连接属性来描述各部分之间的相对运动约束关系；

S4、确定模型计算物理力学参数，假定地层荷载、摩擦阻力、管端正面阻力都是均匀分布的，假定钢材为理想弹塑性钢材，管节模型取两节，通过连续单元连接两管节；

S5、进行直线顶管多体模型分析，钢管采用壳单元，选用S6R类型进行网格划分；

S6、进行直线顶管转变为矩形曲线顶管多体模型分析，模拟中采用多节管道，矩形曲线管道钢管通过接头连接而成；

S7、矩形曲线顶管多体系统动学模型顶管顶进力预计计算，钢管采用壳单元，选用S6R类型单元进行网格划分。

2.根据权利要求1所述的矩形曲线顶管顶进施工力学特性研究与优化设计，其特征在于，步骤S1中，确定矩形曲线顶管顶进过程中顶管上的荷载分布，并计算荷载具体为：

首先，确定矩形曲线顶管上的土压力，分别采用土柱理论、普氏理论和太沙基理论进行分析，与实验对比确定采用太沙基理论；

其次，确定顶进过程中的单位面积摩擦阻力，摩擦阻力受土的性质、管道的材料、润滑浆液的配合比、管-润滑浆液-土三者的接触状态的影响；

最后，确定顶进时的顶力，顶力由管周摩擦阻力和管端正面阻力的大小决定。

3.根据权利要求1所述的矩形曲线顶管顶进施工力学特性研究与优化设计，其特征在于，步骤S2中，动力学普遍方程为：

其中，q为广义坐标向量；T为系统动能；Q为广义力；

系统动能T由广义速度表示为：

其中，q为广义速度向量；M为质量矩阵；

物体的动力学控制方程为：

其中，为广义加速度向量；M为质量矩阵；K为刚度矩阵；QF主动力对应的广义力；QV为速度的二次项有关的广义力；

多体系统的动力学控制方程为：

其相应的约束方程为：

C(q,t)＝0

式中，λ为拉格朗日乘子列阵；C为约束矩阵；为约束的雅克比转置矩阵。

4.根据权利要求1所述的矩形曲线顶管顶进施工力学特性研究与优化设计，其特征在于，步骤S3具体为：

S31、在PART、ASSEMBLY或INTERACTION功能模块中，定义连接单元和约束所要用到的参考点和基准坐标系；

S32、在INTERACTION模块中，设置连接单元、连接属性和约束；

S33、在STEP模块中，设置单元的历史变量输出；如果模型中出现较大的位移或转动，应将几何非线性参数NLGEOM设置为ON；

S34、在LOAD模块中，定义边界条件和载荷，以及连接单元的边界条件和载荷；

S35、在VISUALIZATION模块中，查看连接单元的历史变量输出、控制连接单元的显示方式。

5.根据权利要求1所述的矩形曲线顶管顶进施工力学特性研究与优化设计，其特征在于，步骤S5中，直线顶管采用Slide-Plane和旋转连接属性Cardan；计算出每增加一个管节推力值增加为一个定值，主要原因是摩擦力的影响；在直线顶管顶进过程中管节与管节之间会出现一定的相对转动，且相对转角处于动态变化的过程；管节之间连接时允许一定的转动自由度，可以减少管节之间的转动弯矩。