盾構(gòu)機(jī)異形筒體有限元設(shè)計(jì)分析

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(南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京 211816)

盾構(gòu)機(jī)是由主機(jī)和后配套設(shè)施等組成的機(jī)電一體化設(shè)備[1-3]。盾構(gòu)機(jī)在砂卵石或其他復(fù)雜地層中進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，刀具以及刀盤是非常容易磨損的，故適當(dāng)進(jìn)艙對刀具以及刀盤進(jìn)行及時(shí)的檢查和維修非常重要[4-5]。人行閘為作業(yè)人員進(jìn)、出土艙，以及在盾構(gòu)施工過程中排除設(shè)備故障、搶險(xiǎn)及更換磨損刀具等操作提供便利條件。由于結(jié)構(gòu)空間以及設(shè)計(jì)工藝等特殊條件的要求，一般選擇異形截面壓力容器才能滿足工作需求。

張映等人[6]通過計(jì)算分析了非圓形截面容器的安全性。周鵬飛等人[7]采用ANSYS軟件對異形封頭的可靠性進(jìn)行分析，并且做出了優(yōu)化設(shè)計(jì)分析。李凌航[8]結(jié)合隧道工程，介紹了氣壓法在小直徑盾構(gòu)隧道施工中的應(yīng)用。王學(xué)明等人[9]采用ANSYS對人行閘異形筒體的設(shè)計(jì)做了探討。蒙先君等人[10]利用盾構(gòu)刀盤實(shí)例，說明了刀盤的檢查維修過程方法。楊海鋼等人[11]研究了異形筒體焊接工藝流程。孟令濤[12]介紹了無封頭異形筒體變位器設(shè)計(jì)思路。

異形筒體的厚度有兩種設(shè)計(jì)方法，即常規(guī)設(shè)計(jì)和分析設(shè)計(jì)[13]?；诔Ｒ?guī)設(shè)計(jì)在考慮安全問題時(shí)，通常會(huì)把筒體的厚度設(shè)計(jì)得過大，留有足夠的設(shè)計(jì)裕量。文中利用Solidworks軟件建立異形筒體的模型，并將模型導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行分析研究，并利用Statistica軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與異形截面參數(shù)的關(guān)系擬合。

1 異形筒體結(jié)構(gòu)尺寸

參照施工人員的工作習(xí)慣以及坐姿，按照國家標(biāo)準(zhǔn)并依據(jù)減少人體能量損失的準(zhǔn)則對筒體截面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

由于考慮人行閘內(nèi)工作人員的安全、舒適程度以及工作空間等因素，人行閘軸長一般要求在2 000 mm以上，考慮到裝配因素，其軸長不應(yīng)超過2 800 mm。人行閘的異形筒體截面由半圓筒截面、帶圓角矩形截面及矩形板截面3部分組成，見圖1。這些截面通過過渡半徑R的曲板截面連接起來，共同組成了人行閘異形筒體截面。

圖1 人行閘異形筒體截面組成圖

異形筒體結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)如下：內(nèi)徑Di=1 750 mm，短直邊段L1=450 mm，長直邊段L2=520 mm，過渡半徑R=480 mm，軸長L=2 600 mm，夾角α=40°。異形筒體的力學(xué)性能參數(shù)：設(shè)計(jì)壓力為0.45 MPa，設(shè)計(jì)溫度為55 ℃，材料S30408，材料彈性模量為1.853×105MPa,泊松比0.3，許用應(yīng)力Sm=137 MPa。

2 異形筒體設(shè)計(jì)模型

由于異形筒體截面形狀比較復(fù)雜，線與線之間的約束不易把握，所以本文利用三維建模軟件Solidworks進(jìn)行建模，利用ANSYS～PARAIN命令把x_t格式模型導(dǎo)入有限元軟件，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力運(yùn)算。

根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸，在草圖上先建立筒體內(nèi)徑、直邊段、過渡段等直線，其中以異形筒體的厚度δ=17 mm 為例，畫出整體輪廓再退出草圖，使之成為特征，然后拉伸至軸長長度2 600 mm。人行閘異形筒體基本模型見圖2。

圖2 異形筒體模型

3 異形筒體有限元分析

3.1 約束和載荷

把Solidworks建模導(dǎo)入ANSYS中，利用ANSYS對模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。單元類型采用三維八節(jié)點(diǎn)SOLID185，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為230 689，單元數(shù)為120 857。異形筒體施加載荷以及約束見圖3。

使用ANSYS對模型作應(yīng)力分析時(shí)，設(shè)定的位移邊界和載荷邊界分別為：①在筒體內(nèi)表面施加壓力p=0.45 MPa，在筒體的一個(gè)端面施加全約束，從而形成懸臂梁。在另一端面根據(jù)計(jì)算施加軸向載荷。②受力邊界考慮重力影響，對筒體施加慣性力，g=9.8 m/s2。

圖3 異形筒體載荷和約束

3.2 應(yīng)力計(jì)算以及評定結(jié)果[14]

盾構(gòu)機(jī)異形筒體厚度δ為15、20、25、30、35、40 mm時(shí)，應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行有限元應(yīng)力分析得到的異形筒體應(yīng)力云圖分別見圖4～圖9。

圖4 δ=15 mm異形筒體應(yīng)力云圖

圖5 δ=20 mm異形筒體應(yīng)力云圖

圖6 δ=25 mm異形筒體應(yīng)力云圖

圖7 δ=30 mm異形筒體應(yīng)力云圖

圖8 δ=35 mm異形筒體應(yīng)力云圖

圖9 δ=40 mm異形筒體應(yīng)力云圖

從圖4可以得到，異形筒體的局部薄膜應(yīng)力為56.50 MPa<1.5Sm，一次加二次應(yīng)力為137.16 MPa<3Sm，評定結(jié)果合格。

從圖5可以得到，異形筒體的局部薄膜應(yīng)力為71.48 MPa<1.5Sm，一次加二次應(yīng)力為153.38 MPa<3Sm，評定結(jié)果合格。

從圖6可得到，異形筒體的局部薄膜應(yīng)力為94.82 MPa<1.5Sm，一次加二次應(yīng)力為200.75 MPa<3Sm，評定結(jié)果合格。

從圖7可以得到，異形筒體的局部薄膜應(yīng)力為117.60 MPa<1.5Sm，一次加二次應(yīng)力為259.04 MPa<3Sm，評定結(jié)果合格。

從圖8可以得到，異形筒體的局部薄膜應(yīng)力為87.66 MPa<1.5Sm，一次加二次應(yīng)力為168.40 MPa<3Sm，評定結(jié)果合格。

從圖9可以得到，異形筒體的局部薄膜應(yīng)力為107.34 MPa<1.5Sm，一次加二次應(yīng)力為197.47 MPa<3Sm，評定結(jié)果合格。

4 公式擬合

為了更好地反映異形筒體理想強(qiáng)度與異形截面參數(shù)的關(guān)系，利用Statistica軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及公式擬合。Statistica軟件對數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)庫管理有著精確的控制，操作簡單且無需編程，逐漸被工程各領(lǐng)域所采用[15-17]。

定義m=L1/Di、n=L2/Di、r=L1/Di、g=(1-n-r)/(1+m)，代入式(1)的基礎(chǔ)方程。

δ-δ1=(k1ma+k2nb+k3rc)δ2+k4gdδ3

(1)

式中，δ為擬合求得的筒體厚度，δ1為圓筒理論計(jì)算的厚度，δ2為圓角矩形截面筒體的計(jì)算厚度，δ3為理想圓平板理論計(jì)算厚度；m、n、r、g為異形筒體截面結(jié)構(gòu)因子；k1、k2、k3、k4為擬合系數(shù)；a、b、c、d為結(jié)構(gòu)因子修正系數(shù)。

利用Statistica軟件的多元非線性擬合功能，解得：k1=5.571、k2=-0.752、k3=2.961、k4=0.444、a=0.124、b=0.024、c=-0.073、d=0.922代入式(1)得：

δ=(5.571m0.124-0.752n0.024+2.96r-0.073)δ2+0.444g0.922δ3+δ1

(2)

回歸方程與預(yù)測值之間的擬合殘差關(guān)系圖見圖10。

圖10 回歸方程與預(yù)測值擬合殘差關(guān)系

由圖10可得，各個(gè)散點(diǎn)均是在同一條直線上或在其附近排列，進(jìn)一步說明該擬合模型具有可行性，該模型是可靠的，可以用做預(yù)測試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

回歸方程擬合殘差與正態(tài)分布比較見圖11。

圖11 回歸方程擬合殘差與正態(tài)分布比較

由圖11可得，殘差分布無序，基本滿足正態(tài)分布的趨勢，可見所選的回歸模型是適宜的。

5 異形筒體擬合公式及建模分析方法驗(yàn)證

5.1 厚度計(jì)算

利用APDL語言進(jìn)行案例計(jì)算并驗(yàn)證式(1)～式(2)的正確性。隨機(jī)取人行閘異形截面筒體尺寸Di=1 550 mm、L1=310 mm、L2=395 mm、R=420 mm。為了避免平蓋對筒體的加強(qiáng)作用，取軸長L=12 400 mm。按照相應(yīng)理論計(jì)算各相應(yīng)厚度，結(jié)果為δ1=6 mm、δ2=31 mm、δ3=20 mm。代入式(1)～式(2)得擬合厚度δ=22.7 mm。考慮安全余量，取厚度δ=28 mm。

5.2 建模分析

采用上文異形筒體有限元分析方法，基于式(1)～式(2)擬合出來的筒體厚度對人閘盾構(gòu)機(jī)異形筒體建模，并進(jìn)行應(yīng)力分析，得到的異形筒體模型及應(yīng)力云圖見圖12。

圖12 δ=28 mm異形筒體模型及應(yīng)力云圖

從圖12可得到，異形筒體局部薄膜應(yīng)力為106.47 MPa<1.5Sm；一次加二次應(yīng)力為203.18 MPa<3Sm，評定結(jié)果合格。評定是依據(jù)JB 4732—1995(2005年確認(rèn))《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[14]進(jìn)行，評定結(jié)果表明，根據(jù)擬合公式計(jì)算出的異形筒體厚度滿足其強(qiáng)度要求，且一次加二次應(yīng)力接近材料的許用應(yīng)力，避免了設(shè)計(jì)時(shí)因考慮安全問題而使設(shè)計(jì)厚度過大的問題，減少了材料的浪費(fèi)。

6 結(jié)語

對盾構(gòu)機(jī)異形筒體結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化、建模方法、厚度計(jì)算公式擬合和應(yīng)力強(qiáng)度分析展開研究，完成的主要內(nèi)容和獲得的階段性研究結(jié)果包括：①利用Solidworks建模導(dǎo)入ANSYS中，且評定結(jié)果合格，為操作人員提供了一種更加有效的建模方式。②在ANSYS中進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析及評定，可以得到合理的尺寸，避免選擇尺寸的盲目性，減少了資源浪費(fèi)。③利用Statistica軟件對給定的基礎(chǔ)方程進(jìn)行公式擬合，并利用其回歸方程與預(yù)測值之間的擬合殘差關(guān)系及殘差分布圖來分析公式的正確性。④擬合出的公式符合安全要求，且一次加二次應(yīng)力接近于材料的許用應(yīng)力，解決了保守設(shè)計(jì)造成成本上升的問題，從而避免了一些不必要的浪費(fèi)，為工程實(shí)踐提供可靠依據(jù)。