基于SolidWorks三維建模矩形頂管掘進(jìn)機(jī)殼體的設(shè)計(jì)

王勝勇

(上海隧道工程股份有限公司，上海 200032)

0 引言

隧道掘進(jìn)機(jī)是用于地下隧道施工的掘削設(shè)備，常見(jiàn)型式為圓形結(jié)構(gòu)，主要因?yàn)閳A形掘進(jìn)機(jī)殼體受力均勻，且圓形隧道結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)利用的需求增加，尤其在過(guò)街地道、地鐵車(chē)站的地下走廊等工程中，矩形隧道建設(shè)具有更大的空間開(kāi)發(fā)優(yōu)勢(shì)。利用矩形頂管機(jī)施工所獲得的通道斷面不僅接近于實(shí)際使用的斷面，具有較高的空間利用率，而且還可為工程后期的改造裝修帶來(lái)便利，節(jié)省工程成本，具有很好的經(jīng)濟(jì)性。目前，許多發(fā)達(dá)國(guó)家都掀起了開(kāi)發(fā)異形斷面掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的高潮，先后進(jìn)行了矩形隧道、橢圓形隧道、雙圓形隧道、多圓形隧道掘進(jìn)機(jī)及施工技術(shù)的試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用［1－3］。

矩形頂管機(jī)是一種在殼體圍護(hù)支撐借助安裝于始發(fā)井內(nèi)的后頂進(jìn)千斤頂和相關(guān)機(jī)械裝置向前推進(jìn)的隧道掘進(jìn)設(shè)備。通過(guò)組合刀盤(pán)切削土體，并由螺旋機(jī)等裝置完成排土作業(yè)，再由頂進(jìn)裝置頂進(jìn)一節(jié)管節(jié)長(zhǎng)度的距離后，將頂進(jìn)千斤頂縮回，并將一節(jié)成型管節(jié)放置于機(jī)頭或已安裝管節(jié)與后頂進(jìn)裝置之間的空間后繼續(xù)頂進(jìn)，如此反復(fù)完成整個(gè)隧道掘進(jìn)施工［4］。殼體結(jié)構(gòu)是頂管掘進(jìn)機(jī)中非常重要的承載和圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞關(guān)系到整個(gè)隧道施工工程的成敗。在傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常需要豐富的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)過(guò)程相對(duì)比較繁瑣復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員的水平?jīng)Q定了殼體設(shè)計(jì)的質(zhì)量好壞。采用有限元方法對(duì)頂管機(jī)的殼體進(jìn)行設(shè)計(jì)，將使整個(gè)殼體設(shè)計(jì)過(guò)程變得更加簡(jiǎn)單快捷，計(jì)算結(jié)果也更準(zhǔn)確，但目前大多數(shù)文獻(xiàn)涉及到的有限元計(jì)算方法主要集中應(yīng)用于對(duì)頂管機(jī)施工過(guò)程的土體力學(xué)計(jì)算和理論分析［5－6］。

本文根據(jù)實(shí)際工程需求，進(jìn)行示范例4.2 m×6.9 m土壓平衡矩形頂管機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)工作，討論殼體關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn);建立矩形頂管掘進(jìn)機(jī)殼體模型，利用SolidWorks三維分析軟件［7］對(duì)示范例矩形頂管機(jī)殼體進(jìn)行相關(guān)研究，形成一套基于SolidWorks建模的殼體設(shè)計(jì)、校驗(yàn)及優(yōu)化的有限元分析方法。

1 殼體總體設(shè)計(jì)概述

頂管機(jī)殼體分前后2個(gè)部分，前殼體與后殼體尺寸大小基本相同。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常采用刀盤(pán)超挖形式使刀盤(pán)切削斷面略大于殼體和管節(jié)斷面尺寸，這樣有利于頂管機(jī)機(jī)頭進(jìn)出洞控制、掘進(jìn)糾偏和姿態(tài)調(diào)整。另外，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在殼體周邊均勻設(shè)置泥漿壓注孔，通過(guò)泥漿孔向前后斷面尺寸差形成的環(huán)形空隙處填注減摩泥漿，殼體減摩泥漿套可有效減小后殼體及管片在土層中的頂進(jìn)阻力，有利于對(duì)正面土壓力的控制，提高掘進(jìn)工作效率。

在殼體設(shè)計(jì)中，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。由于殼體受力復(fù)雜，因此，在殼體內(nèi)合理設(shè)置支撐梁、加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)，在滿足整體裝配要求的前提下，提高殼體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度［8］。前殼體作為刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)和螺旋機(jī)等結(jié)構(gòu)的支撐體，其結(jié)構(gòu)受力最大，安裝的設(shè)備也最為重要，因此，在掘進(jìn)機(jī)殼體設(shè)計(jì)與分析過(guò)程中都以前殼體為首要目標(biāo)。

2 前殼體結(jié)構(gòu)方案模型建立

前殼體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按照相應(yīng)的外形尺寸設(shè)計(jì)三維模型。在確定了殼體外形尺寸的前提下，根據(jù)施工埋深、結(jié)構(gòu)尺寸及受力狀態(tài)，初定殼體的板厚尺寸。

根據(jù)殼體結(jié)構(gòu)形狀和施工需要，確定刀盤(pán)位置。大刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)裝置一般設(shè)置于殼體正中心位置，4個(gè)小刀盤(pán)(偏心)驅(qū)動(dòng)裝置則置于其兩側(cè)，螺旋機(jī)安放在殼體的底部。為獲得較大的切削比，同時(shí)考慮到刀盤(pán)受力的均衡性，小刀盤(pán)(偏心)驅(qū)動(dòng)安裝位置距殼體側(cè)邊緣的距離與距大刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)的距離大致相等，同側(cè)2個(gè)小刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)裝置相對(duì)殼體中心線上下對(duì)稱。整個(gè)頂管機(jī)布置2個(gè)螺旋機(jī)進(jìn)行出土作業(yè)，螺旋機(jī)出土口要盡量靠近殼體底部，布置左右位置時(shí)，要盡量保證完成整個(gè)土艙內(nèi)的渣土輸送，以實(shí)現(xiàn)對(duì)正面土壓力的建立和控制。頂管機(jī)前殼體正面視圖如圖1所示。

確定各主體結(jié)構(gòu)的形式及位置后，需布置各種加固結(jié)構(gòu)以增加主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。示范例殼體模型中，加固結(jié)構(gòu)形式一般采用圈板、撐梁及筋板。圈板是沿周向連接殼體內(nèi)緣輪廓的環(huán)狀豎向加強(qiáng)板，主要起到支撐和加固頂管機(jī)外殼體結(jié)構(gòu)，以減少殼體受土壓力而變形的作用。撐梁是用于連接整個(gè)殼體兩側(cè)的結(jié)構(gòu)，包括位于貫穿大刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)的橫向撐梁，以及2根貫穿螺旋機(jī)筒體的縱向撐梁。筋板則沿各個(gè)刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)的受力中心向四周發(fā)散方向進(jìn)行布置，對(duì)殼體有較大的支撐和加固作用，同時(shí)，還可將刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)所受的切削應(yīng)力均勻地分散到殼體主結(jié)構(gòu)。前殼體后視圖如圖2所示。

圖1 前殼體正面視圖Fig.1 Frontal view of front shell

圖2 前殼體后視圖Fig.2 Rear view of front shell

3 前殼體模型的三維有限元處理

3.1 約束的確定

在完整地設(shè)計(jì)和建立了前殼體的三維模型后，在SolidWorks三維環(huán)境下使用有限元分析法對(duì)前述的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行檢驗(yàn)，以確認(rèn)設(shè)計(jì)方案中的設(shè)定參數(shù)是否符合施工時(shí)受力和變形要求。

前殼體正面及周邊都受到頂進(jìn)反作用力與土壓力作用，而后端則與頂管機(jī)主體部分連接。當(dāng)頂管機(jī)前端受力時(shí)，頂管機(jī)主體不會(huì)產(chǎn)生較大的變形，因此，可以將前殼體與頂管機(jī)主體的連接端作為受力分析的相對(duì)固定約束面，并施加固定約束，以觀察殼體變形狀況。

殼體的固定約束如圖3所示。圖3中箭頭指向的平面即為殼體模型的固定約束面，此面靠近后殼體，相對(duì)于其他連接面受載荷作用較弱，相對(duì)應(yīng)力變形較小，在圖3的方向上進(jìn)行位移約束和旋轉(zhuǎn)約束，即表示該面受約束保持固定。

圖3 殼體的固定約束Fig.3 Fixed constraint of the shell

3.2 載荷的確定

設(shè)定約束后對(duì)殼體施加外載荷［9－10］。施工時(shí)，由于前殼體受力較復(fù)雜，因此建立模型時(shí)進(jìn)行了相關(guān)簡(jiǎn)化，在前殼體模型上施加的主要載荷包括頂部豎向載荷W0、周邊土壓力載荷W1和正面刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)等結(jié)構(gòu)受到的頂進(jìn)反力載荷W2。

圖4為頂管機(jī)前殼體的受力簡(jiǎn)化模型圖，包括殼體正面和側(cè)面2個(gè)方向。在進(jìn)行三維建模時(shí)，模型的每一個(gè)部件都使用與實(shí)際形狀、大小相等尺寸建立。根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)的材質(zhì)確定結(jié)構(gòu)材料后，可以直接算出結(jié)構(gòu)的實(shí)際質(zhì)量，同時(shí)，在定義自重載荷時(shí)，按計(jì)算所得的實(shí)際質(zhì)量自動(dòng)確定載荷大小，確保數(shù)值的準(zhǔn)確性。

圖4 殼體受力模型Fig.4 Stress model of shell

圖5為殼體載荷分布圖。圖5中紫色箭頭代表刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)受到的正面頂進(jìn)反力W2，正面頂進(jìn)反力的實(shí)際大小為后頂進(jìn)頂力減去頂管機(jī)及管節(jié)所受到的各種阻力［11］。但事實(shí)上，頂管機(jī)后頂進(jìn)力與土體摩擦阻力均是隨著頂管機(jī)向前推進(jìn)而不斷變化增大的，其他形式阻力難以準(zhǔn)確測(cè)量，而通過(guò)理論計(jì)算得到頂進(jìn)反力的準(zhǔn)確值確實(shí)比較困難;因此，采取了更加直接的方法。在頂管機(jī)正面土倉(cāng)內(nèi)安裝土壓傳感器，實(shí)際測(cè)量得到迎面頂進(jìn)阻力的最大值與殼體安裝驅(qū)動(dòng)部位的最大允許載荷比較，按大值取值。在本示范例設(shè)計(jì)的殼體結(jié)構(gòu)中，取大刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)承載極限為400 t，即4 000 kN，小刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)承載極限為70 t，即700 kN。

圖5中紅色箭頭代表殼體周邊所受的土壓力。土壓力是按照頂管機(jī)頂部最大埋深的施工工況來(lái)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算的［12］。此次設(shè)計(jì)工況計(jì)算如下:頂管機(jī)頂部埋深10 m，土體比重水土合算取18 kN/m3，則頂部受到的土壓力為180 kN/m2;頂管機(jī)殼體高度為4.2 m，則底部埋深14.2 m，受到的土壓力約為260 kN/m2。殼體兩側(cè)的土壓力為側(cè)向壓力W1，與垂直方向的土壓力W0不同，受土體自立性影響，略小于垂直土壓力，在工程計(jì)算中常取其值為垂直土壓力的0.7倍。側(cè)向土壓力隨埋深的增加而增大，單位深度的壓力增加值為常量，可以通過(guò)線性比例計(jì)算得出。

圖5 殼體載荷分布圖Fig.5 Load distribution of shell

3.3 單元網(wǎng)格的劃分

在對(duì)殼體模型進(jìn)行施加載荷完畢后，對(duì)結(jié)構(gòu)體模型劃分有限元網(wǎng)格，如圖6所示。網(wǎng)格劃分是有限元分析的基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)是以網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)單位分析計(jì)算的，因此，網(wǎng)格劃分越細(xì)，計(jì)算結(jié)果越精確，但同時(shí)相應(yīng)的計(jì)算量也越大，對(duì)計(jì)算機(jī)的性能要求也越高。根據(jù)計(jì)算機(jī)的性能及對(duì)結(jié)果的精度要求，設(shè)定四面體實(shí)體網(wǎng)格。在本示范例計(jì)算中，設(shè)定網(wǎng)格大小為160 mm，共劃分得到37 882個(gè)四面體實(shí)體網(wǎng)格。

圖6 有限元網(wǎng)格劃分示意圖Fig.6 Diagrammatic sketch of finite element mesh

4 前殼體模型的三維有限元結(jié)果分析

4.1 計(jì)算結(jié)果

在進(jìn)行有限元計(jì)算處理后，得出殼體應(yīng)力、變形和安全系數(shù)分布圖，如圖7—9所示。

圖7 殼體應(yīng)力分布圖(單位:N/m2)Fig.7 Stress distribution of shell(N/m2)

圖8 殼體變形分布圖(單位:mm)Fig.8 Strain distribution of shell(mm)

圖9 安全系數(shù)分布圖Fig.9 Safety factor distribution of shell

從圖7中可以看出:模型應(yīng)力分布區(qū)域大部分呈藍(lán)色，應(yīng)力約在30 MPa以下，最大應(yīng)力為300 MPa，位于中心大刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)安裝孔下部的筋板上;筋板上的應(yīng)力明顯比結(jié)構(gòu)本體要大，說(shuō)明筋板的布置位置基本位于應(yīng)力較大區(qū)域，分擔(dān)了殼體應(yīng)力，是比較合理的。

從圖8中可以看出:受到迎面阻力的大刀盤(pán)安裝孔處及受到豎直土壓力的上下殼體中間部分變形弧度較大，這也與受力情況相符;數(shù)據(jù)結(jié)果顯示最大變形位移為1.37 mm，在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。

從圖9中可以看出:大部分區(qū)域安全系數(shù)大于4，而設(shè)定安全系數(shù)的上限顯示為5;筋板處的安全系數(shù)相對(duì)較小，說(shuō)明筋板處應(yīng)力較大;安全系數(shù)最小值為0.65，發(fā)生在應(yīng)力最大處。

4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)以上結(jié)果的分析，殼體模型結(jié)構(gòu)在載荷作用下基本都能滿足強(qiáng)度要求，但在筋板尺寸急劇變化區(qū)域容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，這些地方的最大局部應(yīng)力達(dá)到了300 MPa，超過(guò)了材料屈服強(qiáng)度，屬于危險(xiǎn)區(qū)域。

應(yīng)力集中區(qū)域的主要特點(diǎn)是應(yīng)力遠(yuǎn)大于正常值，且作用面積小，隨距離擴(kuò)展急速衰減。殼體中心驅(qū)動(dòng)的安裝結(jié)構(gòu)為一環(huán)套，后方的加固筋板以直角的形式卡住環(huán)套的外徑和背面，達(dá)到固定的目的，這一直角鎖緊區(qū)域的應(yīng)力最大，其結(jié)構(gòu)形式和應(yīng)力分析結(jié)果都與應(yīng)力集中的現(xiàn)象相符合。因此，要消除危險(xiǎn)區(qū)域，就要改善應(yīng)力集中，可以采用對(duì)直角接觸部位圓角過(guò)渡的方式進(jìn)行改善。

圖10為改進(jìn)圓弧面設(shè)計(jì)示意圖。對(duì)筋板、驅(qū)動(dòng)套筒的接觸部位設(shè)定為圓角，保證裝配時(shí)接觸面圓滑過(guò)渡，避免產(chǎn)生銳角。

圖10 改進(jìn)圓弧面設(shè)計(jì)示意圖Fig.10 Diagrammatic sketch of improvement of arc surface

圖11為改進(jìn)后的殼體應(yīng)力分布圖。從改進(jìn)后的分析結(jié)果可以看出，最大應(yīng)力降至227 MPa，小于普通碳鋼的屈服強(qiáng)度(235 MPa)，但應(yīng)力集中點(diǎn)仍然存在，已經(jīng)不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成破壞性影響，證明利用圓角改善應(yīng)力集中是切實(shí)可行的。

圖11 改進(jìn)后的殼體應(yīng)力分布圖(單位:N/mm2)Fig.11 Stress distribution of shell after improvement(N/mm2)

5 討論及展望

本文應(yīng)用SolidWorks建模及有限元分析方法對(duì)頂管機(jī)殼體結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)進(jìn)行校驗(yàn)，不僅使設(shè)計(jì)過(guò)程變得更加簡(jiǎn)單快捷，而且使設(shè)計(jì)結(jié)果更加準(zhǔn)確。

1)依據(jù)實(shí)際的應(yīng)力和變形，對(duì)殼體進(jìn)行設(shè)計(jì)校驗(yàn)。設(shè)計(jì)的模型存在不安全結(jié)構(gòu)區(qū)域，大部分位于殼體中心驅(qū)動(dòng)裝置部位，采取加強(qiáng)筋板布置和加固薄弱部位，保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。

2)針對(duì)分析結(jié)果中筋板的應(yīng)力集中缺陷，采用了接觸邊倒圓角的方法來(lái)解決，實(shí)際施工效果證明了這一措施的可行性。

本文對(duì)矩形掘進(jìn)機(jī)前殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了討論，并對(duì)結(jié)構(gòu)建模、約束設(shè)定和載荷確定進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化，形成了基于SolidWorks建模的前殼體設(shè)計(jì)、校驗(yàn)步驟及優(yōu)化方法，對(duì)矩形頂管掘進(jìn)機(jī)殼體的設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義。

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