基于Hyperworks的大直徑盾構拖車分析研究

孫秀潔，吳嘉宜，賈 甜，谷俊峰，阮詩倫，▲

(1.大連理工大學重大裝備設計與制造鄭州研究院，河南鄭州450002；2.中鐵工程裝備集團有限公司，河南鄭州450002；3.大連理工大學運載工程與力學學部，遼寧大連116024)

0 引言

世界盾構技術正朝著超大斷面化、異形斷面化、超大深度化、超長距離化的方向發(fā)展，世界盾構技術的超大斷面化，使得大直徑泥水盾構的應用成為一種發(fā)展趨勢，且大直徑泥水盾構對于開發(fā)我國沿江、沿海、沿河及許多城市的經濟發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義[1-2]。因此，抓緊和加快大直徑泥水盾構技術的研究，進而掌握大直徑泥水盾構的設計、制造和施工技術能極大地提高市場競爭力，是我國與國際先進盾構技術接軌的重要步驟。

大直徑盾構技術的發(fā)展對盾構結構的綜合性能提出了更高、更嚴苛的要求。目前國內已出現(xiàn)15 m級的大直徑盾構，但是大直徑盾構的整機重量可達到1000 t以上，不僅原料成本高，而且轉運安裝困難，時間周期長[3]。盾構機的后配套裝置一般由一節(jié)連接橋和若干拖車組成，拖車是盾構機掘進不可缺少的一部分，是用于承載盾構機掘進的主要設備，在大直徑盾構中，一節(jié)拖車重量高達幾百噸，拖車的輕量化設計可以有效解決設計浪費和成本失控，具有重要的經濟和技術意義。

輕量化設計受到越來越廣泛的關注，成為工程機械設計制造產業(yè)發(fā)展的重要趨勢之一。

輕量化是在滿足規(guī)范要求、保證結構安全和產品品質的前提下，通過合理的結構布置、科學的計算論證、適度的構造措施，充分發(fā)揮材料性能、合理節(jié)約造價的設計方法[4]。輕量化設計可以幫助工程師們加深對結構理解、激發(fā)靈感，帶來全新的設計和方案，實現(xiàn)僅憑直覺無法達到的設計改進。

1 拖車的靜力學分析

靜力分析主要用于研究結構在恒定載荷作用下的響應，如結構的位移、應力、應變，通過結構響應校核結構強度。靜力分析中不考慮隨時間變化的載荷，忽略慣性力和阻尼[5]。由于拖車為準勻速運動，根據(jù)拖車的靜力分析結果，可以確定拖車結構中的危險區(qū)域，為拖車的優(yōu)化設計提供參考。

1.1 拖車有限元模型建立

本文以某型號大直徑盾構機一號拖車為研究對象，拖車主體由板件和標準H型鋼焊接構成，型鋼長度與橫截面的比率超過10，且橫截面始終保持不變，可簡化為梁模型[6]。其余板件簡化為殼體，忽略對計算影響不大的特征。如圖1所示，一號拖車有限元模型簡化為梁-殼模型，整車計算中，殼與梁、梁與梁的連接采用剛節(jié)點連接，其中殼單元劃分盡量采用四邊形板殼單元模擬，并以少量三角形單元作為過渡，一號拖車的材料參數(shù)如表1所示。

表1 拖車材料參數(shù)

圖1 拖車有限元模型

1.2 拖車的荷載及約束

在拖車上施加的載荷既要符合實際工況且要反映拖車的極限受力情況。根據(jù)試驗段檢測數(shù)據(jù)對拖車施加載荷及約束。

拖車的極限工作情況下荷載：

1)所承載設備的重力：將拖車所承載的所有設備的重力加載至實際承載面，如圖2所示；

圖2 拖車設備負載圖

2)連接橋作用力：連接橋搭接在兩個拖車中間，將連接橋的重量加載至分析對象，加載位置為連接橋搭接面；

3)前部設備拖拽力：拖拽力的大小為所拖拽設備重力乘以相應摩擦系數(shù)；

4)拖車自重。

拖車的極限工作情況下約束：底部輪對簡支約束。

1.3 結果分析與討論

在極限工況下，應力較大的區(qū)域集中于梁單元交界處，而且靠近殼單元的梁的連接處應力最大，這些位置都是剛度變化較大的部位，制造過程中應該特別關注這些位置，對于應力較大的關鍵部位焊接處要提高精度[7]。

拖車的最大等效應力為160.28 MPa，小于Q355B鋼的屈服極限355 MPa，拖車的安全系數(shù)為2.21，大于推薦系數(shù)2，最大變形小于30.48 mm，即拖車跨度的1/800，所以拖車的強度和剛度滿足要求。

拖車整體應力分布不均勻，應力較大部位集中在特定區(qū)域，大部分區(qū)域應力較小，造成材料浪費，有必要開展輕量化設計。

圖3 拖車等效應力云圖

對拖車模型開展模態(tài)分析，模態(tài)分析約束條件與靜力分析一致，不添加載荷條件，分析拖車一階模態(tài)應變能，一階模態(tài)應變能較大的位置集中在殼單元和梁單元的連接位置，此處車體剛度梯度變化較大，最容易振動能量積累[8]，結合等效應力云圖，這些部位最容易引起疲勞破壞，設計時可對這些部位局部加強。

圖4 拖車一階模態(tài)應變能

2 拖車的尺寸優(yōu)化分析

2.1 優(yōu)化模型的建立

優(yōu)化設計有三要素，即設計變量、目標函數(shù)和約束條件。設計變量是發(fā)生改變從而提高性能的一組參數(shù)；目標函數(shù)是要求最優(yōu)的設計性能，是關于設計變量的函數(shù)；約束條件是對設計的限制，是對設計變量和其他性能的要求[8]。

運用最優(yōu)化設計理論，以有限元軟件Altair Optistruct為優(yōu)化工具，在保證拖車強度和剛度的前提下，保持結構的形狀和拓撲結構不變，尋求拖車的最佳截面尺寸，達到輕量化的目的[9]。拖車優(yōu)化模型采用：

(1)

其中，Mass為模型總重量，X為設計變量，g(X)為設計空間內單元等效應力，Ωx為設計變量X的設計空間。

圖5 H型梁截面優(yōu)化變量

選取拖車主體梁的梁截面尺寸為優(yōu)化對象，每個H型梁截面對應四個優(yōu)化變量，如圖5所示，其中DIM1∈[10，500]，DIM2∈[10，60]、DIM3∈[10，500]、DIM4∈[10，60]，本文將拖車主體梁型號分為5類，每種型號對應4個變量，此次優(yōu)化分析變量數(shù)為20個。

2.2 優(yōu)化結果分析與討論

觀察優(yōu)化走勢(重量變化)，重量先快速減小后緩慢減小。重量快速減少的部分叫做沿著算法方向(梯度方向，共軛方向)找邊界；到達邊界以后，開始沿著邊界重新定義方向找最優(yōu)解，這部分叫做約束優(yōu)化下找最優(yōu)解，如圖7所示。所以重量快速減小是因為按照預定減小等效應力小于應力約束邊界，緩慢減小是在滿足應力約束邊界的限制下去尋求重量最小的設計，這個時候重量減小率相比于沿算法方向明顯降低。

優(yōu)化后得到極限工況下每組H型鋼的四個變量的最優(yōu)取值，這四個最優(yōu)數(shù)值離散分布而非國標H型鋼，需將優(yōu)化后的變量取值與國標H型鋼表GBT11263—2017比對，找到最接近優(yōu)化結果的國標H型鋼。尺寸優(yōu)化后靜力分析結果如圖8所示，優(yōu)化前拖車重145 t，優(yōu)化后重112 t，優(yōu)化減重約22.76%。

圖6 優(yōu)化迭代重量信息

圖7 可行性優(yōu)化圖示

拖車優(yōu)化后的最大等效應力為179.97 MPa，小于Q355B鋼的屈服極限355 MPa，拖車的安全系數(shù)為1.97，略小于推薦系數(shù)2，拖車的強度基本滿足要求，最大變形小于30.48 mm，即拖車跨度的1/800，所以拖車的強度和剛度滿足要求。但是需要進一步進行結構的局部調整，提高拖車的強度。尺寸優(yōu)化后拖車整體應力分布更加均勻，應力較大區(qū)域增多，材料利用率明顯提高。

圖8 拖車優(yōu)化后等效應力云圖

3 拖車局部優(yōu)化分析

3.1 局部優(yōu)化方案

對優(yōu)化后的拖車模型開展模態(tài)分析，模態(tài)分析約束條件與靜力分析一致，不添加載荷條件，分析優(yōu)化后拖車模型的等效應力云圖及一階模態(tài)應變能云圖，如圖9所示，底層一階模態(tài)應變能較大，在整體結構中剛度較薄弱或最容易產生應力集中，綜合考慮等效應力云圖及一階模態(tài)應變能云圖，依照等強度理論確定局部優(yōu)化方案，如圖10所示，依據(jù)尺寸優(yōu)化結果將圖10所示型鋼選用更加安全的型號。

圖9 拖車優(yōu)化后一階模態(tài)應變能云圖

圖10 拖車局部調整方案

3.2 局部調整結果分析

局部調整后拖車的最大等效應力為164.22 MPa，小于Q355B鋼的屈服極限355 MPa，拖車的安全系數(shù)為2.16，大于推薦系數(shù)2，最大變形小于30.48 mm，即拖車跨度的1/800，所以拖車的強度和剛度滿足要求。局部優(yōu)化后拖車底層的一階模態(tài)應變能明顯降低，如圖11所示，局部震蕩得到明顯改善，最大等效應力明顯減低，應力分布更加均勻。如圖12所示，局部優(yōu)化后，拖車強度和剛度滿足要求，減重約19.66%。

圖11 局部調整后拖車一階模態(tài)應變能云圖

圖12 局部調整后拖車等效應力云圖

4 結論

本文運用Hyperwoks有限元分析軟件，利用有限元理論方法，以某盾構拖車結構為對象，完整詮釋了在現(xiàn)代設計方法中，將有限元理論運用于在盾構拖車開發(fā)和結構優(yōu)化的整個過程?；诨A車的分析結果，對拖車結構進行優(yōu)化改進，針對應力集中部位對結構進行了優(yōu)化和調整，最終得到了優(yōu)化的結構模型，并且通過強度對比分析，驗證了方案的可行性。本文所采用的輕量化優(yōu)化方案可在滿足拖車結構安全的情況下，實現(xiàn)減重19.66%，優(yōu)化效果顯著。該分析與優(yōu)化對拖車工程實際應用具有一定的指導意義。