基于SolidWorks三維建模矩形頂管掘進機殼體的設計

王勝勇

(上海隧道工程股份有限公司，上海 200032)

0 引言

隧道掘進機是用于地下隧道施工的掘削設備，常見型式為圓形結構，主要因為圓形掘進機殼體受力均勻，且圓形隧道結構具有穩定可靠的特點。隨著經濟發展對地下空間開發利用的需求增加，尤其在過街地道、地鐵車站的地下走廊等工程中，矩形隧道建設具有更大的空間開發優勢。利用矩形頂管機施工所獲得的通道斷面不僅接近于實際使用的斷面，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便利，節省工程成本，具有很好的經濟性。目前，許多發達國家都掀起了開發異形斷面掘進機技術的高潮，先后進行了矩形隧道、橢圓形隧道、雙圓形隧道、多圓形隧道掘進機及施工技術的試驗研究和工程應用［1－3］。

矩形頂管機是一種在殼體圍護支撐借助安裝于始發井內的后頂進千斤頂和相關機械裝置向前推進的隧道掘進設備。通過組合刀盤切削土體，并由螺旋機等裝置完成排土作業，再由頂進裝置頂進一節管節長度的距離后，將頂進千斤頂縮回，并將一節成型管節放置于機頭或已安裝管節與后頂進裝置之間的空間后繼續頂進，如此反復完成整個隧道掘進施工［4］。殼體結構是頂管掘進機中非常重要的承載和圍護結構，其結構設計的好壞關系到整個隧道施工工程的成敗。在傳統的機械設計過程中，通常需要豐富的實際經驗，設計過程相對比較繁瑣復雜，設計人員的水平決定了殼體設計的質量好壞。采用有限元方法對頂管機的殼體進行設計，將使整個殼體設計過程變得更加簡單快捷，計算結果也更準確，但目前大多數文獻涉及到的有限元計算方法主要集中應用于對頂管機施工過程的土體力學計算和理論分析［5－6］。

本文根據實際工程需求，進行示范例4.2 m×6.9 m土壓平衡矩形頂管機機械設計工作，討論殼體關鍵結構的設計要點;建立矩形頂管掘進機殼體模型，利用SolidWorks三維分析軟件［7］對示范例矩形頂管機殼體進行相關研究，形成一套基于SolidWorks建模的殼體設計、校驗及優化的有限元分析方法。

1 殼體總體設計概述

頂管機殼體分前后2個部分，前殼體與后殼體尺寸大小基本相同。在設計過程中，通常采用刀盤超挖形式使刀盤切削斷面略大于殼體和管節斷面尺寸，這樣有利于頂管機機頭進出洞控制、掘進糾偏和姿態調整。另外，根據結構特點在殼體周邊均勻設置泥漿壓注孔，通過泥漿孔向前后斷面尺寸差形成的環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阻力，有利于對正面土壓力的控制，提高掘進工作效率。

在殼體設計中，內部的結構設計是非常關鍵的環節。由于殼體受力復雜，因此，在殼體內合理設置支撐梁、加強筋等結構，在滿足整體裝配要求的前提下，提高殼體的結構強度和剛度［8］。前殼體作為刀盤驅動和螺旋機等結構的支撐體，其結構受力最大，安裝的設備也最為重要，因此，在掘進機殼體設計與分析過程中都以前殼體為首要目標。

2 前殼體結構方案模型建立

前殼體設計時，應按照相應的外形尺寸設計三維模型。在確定了殼體外形尺寸的前提下，根據施工埋深、結構尺寸及受力狀態，初定殼體的板厚尺寸。

根據殼體結構形狀和施工需要，確定刀盤位置。大刀盤驅動裝置一般設置于殼體正中心位置，4個小刀盤(偏心)驅動裝置則置于其兩側，螺旋機安放在殼體的底部。為獲得較大的切削比，同時考慮到刀盤受力的均衡性，小刀盤(偏心)驅動安裝位置距殼體側邊緣的距離與距大刀盤驅動的距離大致相等，同側2個小刀盤驅動裝置相對殼體中心線上下對稱。整個頂管機布置2個螺旋機進行出土作業，螺旋機出土口要盡量靠近殼體底部，布置左右位置時，要盡量保證完成整個土艙內的渣土輸送，以實現對正面土壓力的建立和控制。頂管機前殼體正面視圖如圖1所示。

確定各主體結構的形式及位置后，需布置各種加固結構以增加主體結構的強度和剛度。示范例殼體模型中，加固結構形式一般采用圈板、撐梁及筋板。圈板是沿周向連接殼體內緣輪廓的環狀豎向加強板，主要起到支撐和加固頂管機外殼體結構，以減少殼體受土壓力而變形的作用。撐梁是用于連接整個殼體兩側的結構，包括位于貫穿大刀盤驅動的橫向撐梁，以及2根貫穿螺旋機筒體的縱向撐梁。筋板則沿各個刀盤驅動的受力中心向四周發散方向進行布置，對殼體有較大的支撐和加固作用，同時，還可將刀盤驅動所受的切削應力均勻地分散到殼體主結構。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

在完整地設計和建立了前殼體的三維模型后，在SolidWorks三維環境下使用有限元分析法對前述的設計方案進行檢驗，以確認設計方案中的設定參數是否符合施工時受力和變形要求。

前殼體正面及周邊都受到頂進反作用力與土壓力作用，而后端則與頂管機主體部分連接。當頂管機前端受力時，頂管機主體不會產生較大的變形，因此，可以將前殼體與頂管機主體的連接端作為受力分析的相對固定約束面，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，相對于其他連接面受載荷作用較弱，相對應力變形較小，在圖3的方向上進行位移約束和旋轉約束，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

設定約束后對殼體施加外載荷［9－10］。施工時，由于前殼體受力較復雜，因此建立模型時進行了相關簡化，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和正面刀盤驅動等結構受到的頂進反力載荷W2。

圖4為頂管機前殼體的受力簡化模型圖，包括殼體正面和側面2個方向。在進行三維建模時，模型的每一個部件都使用與實際形狀、大小相等尺寸建立。根據實際結構的材質確定結構材料后，可以直接算出結構的實際質量，同時，在定義自重載荷時，按計算所得的實際質量自動確定載荷大小，確保數值的準確性。

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驅動受到的正面頂進反力W2，正面頂進反力的實際大小為后頂進頂力減去頂管機及管節所受到的各種阻力［11］。但事實上，頂管機后頂進力與土體摩擦阻力均是隨著頂管機向前推進而不斷變化增大的，其他形式阻力難以準確測量，而通過理論計算得到頂進反力的準確值確實比較困難;因此，采取了更加直接的方法。在頂管機正面土倉內安裝土壓傳感器，實際測量得到迎面頂進阻力的最大值與殼體安裝驅動部位的最大允許載荷比較，按大值取值。在本示范例設計的殼體結構中，取大刀盤驅動裝置的設計承載極限為400 t，即4 000 kN，小刀盤驅動裝置的設計承載極限為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頂部最大埋深的施工工況來進行相關計算的［12］。此次設計工況計算如下:頂管機頂部埋深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。殼體兩側的土壓力為側向壓力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，在工程計算中常取其值為垂直土壓力的0.7倍。側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，可以通過線性比例計算得出。

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

3.3 單元網格的劃分

在對殼體模型進行施加載荷完畢后，對結構體模型劃分有限元網格，如圖6所示。網格劃分是有限元分析的基礎，計算機是以網格節點為基礎單位分析計算的，因此，網格劃分越細，計算結果越精確，但同時相應的計算量也越大，對計算機的性能要求也越高。根據計算機的性能及對結果的精度要求，設定四面體實體網格。在本示范例計算中，設定網格大小為160 mm，共劃分得到37 882個四面體實體網格。

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

4 前殼體模型的三維有限元結果分析

4.1 計算結果

在進行有限元計算處理后，得出殼體應力、變形和安全系數分布圖，如圖7—9所示。

圖7 殼體應力分布圖(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 安全系數分布圖Fig.9 Safety factor distribution of shell

從圖7中可以看出:模型應力分布區域大部分呈藍色，應力約在30 MPa以下，最大應力為300 MPa，位于中心大刀盤驅動安裝孔下部的筋板上;筋板上的應力明顯比結構本體要大，說明筋板的布置位置基本位于應力較大區域，分擔了殼體應力，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;數據結果顯示最大變形位移為1.37 mm，在設計要求范圍內。

從圖9中可以看出:大部分區域安全系數大于4，而設定安全系數的上限顯示為5;筋板處的安全系數相對較小，說明筋板處應力較大;安全系數最小值為0.65，發生在應力最大處。

4.2 優化設計

根據對以上結果的分析，殼體模型結構在載荷作用下基本都能滿足強度要求，但在筋板尺寸急劇變化區域容易出現應力集中，這些地方的最大局部應力達到了300 MPa，超過了材料屈服強度，屬于危險區域。

應力集中區域的主要特點是應力遠大于正常值，且作用面積小，隨距離擴展急速衰減。殼體中心驅動的安裝結構為一環套，后方的加固筋板以直角的形式卡住環套的外徑和背面，達到固定的目的，這一直角鎖緊區域的應力最大，其結構形式和應力分析結果都與應力集中的現象相符合。因此，要消除危險區域，就要改善應力集中，可以采用對直角接觸部位圓角過渡的方式進行改善。

圖10為改進圓弧面設計示意圖。對筋板、驅動套筒的接觸部位設定為圓角，保證裝配時接觸面圓滑過渡，避免產生銳角。

圖10 改進圓弧面設計示意圖Fig.10 Diagrammatic sketch of improvement of arc surface

圖11為改進后的殼體應力分布圖。從改進后的分析結果可以看出，最大應力降至227 MPa，小于普通碳鋼的屈服強度(235 MPa)，但應力集中點仍然存在，已經不會對結構造成破壞性影響，證明利用圓角改善應力集中是切實可行的。

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

5 討論及展望

本文應用SolidWorks建模及有限元分析方法對頂管機殼體結構的方案設計進行校驗，不僅使設計過程變得更加簡單快捷，而且使設計結果更加準確。

1)依據實際的應力和變形，對殼體進行設計校驗。設計的模型存在不安全結構區域，大部分位于殼體中心驅動裝置部位，采取加強筋板布置和加固薄弱部位，保證結構的強度和剛度。

2)針對分析結果中筋板的應力集中缺陷，采用了接觸邊倒圓角的方法來解決，實際施工效果證明了這一措施的可行性。

本文對矩形掘進機前殼體結構設計方法進行了討論，并對結構建模、約束設定和載荷確定進行了相應的簡化，形成了基于SolidWorks建模的前殼體設計、校驗步驟及優化方法，對矩形頂管掘進機殼體的設計有指導意義。

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