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        雙支撐工作模式下TBM 撐靴與圍巖接觸仿真

        2020-05-14 08:06:08徐尤南余昌鑫劉志強(qiáng)萬永晟
        關(guān)鍵詞:周向試驗(yàn)臺液壓缸

        徐尤南,余昌鑫,陳 潔,劉志強(qiáng),萬永晟

        (華東交通大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院,江西 南昌330013)

        全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)(tunnel boring machine,TBM)是集機(jī)械、液壓、電氣、激光技術(shù)于一體的大型高技術(shù)復(fù)雜隧道施工裝備[1]。 TBM 在隧道掘進(jìn)過程中具有自動化程度高、操作靈活以及能夠調(diào)整掘進(jìn)方向等優(yōu)點(diǎn),因而被廣泛應(yīng)用在城市隧道和鐵路中,提高施工效率和安全指數(shù)[2]。

        TBM 實(shí)現(xiàn)連續(xù)掘進(jìn)作業(yè)依靠支撐推進(jìn)機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)性工作,在支撐推進(jìn)機(jī)構(gòu)中撐靴是重要的構(gòu)件,在施工過程中,裝備前進(jìn)的動力、刀盤扭矩以及支撐TBM 自身重力都是通過撐靴和圍巖的接觸進(jìn)行傳遞[3]。 若撐靴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,使撐靴受力集中或位移過大,都有可能發(fā)生撐靴斷裂、撐著面撐不住以及接地比壓不均勻等現(xiàn)象,因此,課題組開發(fā)了一種新型混聯(lián)式TBM 試驗(yàn)臺。

        TBM 在掘進(jìn)過程中有兩種工作模式,一種是單一支撐工作模式,另外一種是雙支撐工作模式[4],以新型混聯(lián)式TBM 試驗(yàn)臺的撐靴構(gòu)件為研究對象,研究雙支撐工作模式下?lián)窝ヅc圍巖接觸面應(yīng)力以及位移分布,得到撐靴和圍巖的綜合應(yīng)力云圖、綜合位移云圖以及綜合位移分布圖,總結(jié)接觸面應(yīng)力和位移變化的規(guī)律,為以后撐靴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及提高應(yīng)力分布均勻性提供參考。

        1 撐靴與圍巖仿真模型建立

        1.1 TBM 試驗(yàn)臺撐靴受力分析

        針對TBM 對復(fù)雜地質(zhì)巖層適應(yīng)性差等問題,課題組搭建了一種新型混聯(lián)式TBM 試驗(yàn)臺,能夠更好的適應(yīng)在不同巖層的掘進(jìn)任務(wù)。 利用三維制圖軟件Solidworks 對新型TBM 試驗(yàn)臺建模,主支撐機(jī)構(gòu)為“Y”型支撐機(jī)構(gòu)。 試驗(yàn)臺主要由刀盤、主推進(jìn)器、輔推進(jìn)器、主撐靴以及輔撐靴組成,其中主推進(jìn)器和輔推進(jìn)器均由6 個(gè)液壓缸組成,通過液壓缸產(chǎn)生的推力傳遞到刀盤上,就可以使刀盤向前掘進(jìn)[5]。 單個(gè)主撐靴連接2 個(gè)主推進(jìn)缸,2 個(gè)輔推進(jìn)缸以及3 個(gè)支撐液壓缸,單個(gè)輔撐靴連接2 個(gè)推進(jìn)缸以及3 個(gè)支撐液壓缸。 試驗(yàn)臺不僅僅能夠滿足工作過程中的支撐-推進(jìn)-換步動作,還可以實(shí)驗(yàn)掘進(jìn)過程中的全方位糾偏功能[6]。

        在雙支撐穩(wěn)固工作模式(前、后支撐-主推進(jìn)工作模式)下?lián)窝ヅc圍巖接觸的受力是比較復(fù)雜,主撐靴受到刀盤掘進(jìn)的反作用力FT01, 輔推進(jìn)液壓缸同時(shí)也會給撐靴提供推進(jìn)力以及支撐機(jī)構(gòu)對撐靴的支撐力FT21,其主撐靴受力如圖1 所示。在雙支撐工作模式下,前、后支撐機(jī)構(gòu)通過支撐液壓缸使撐靴與圍巖接觸,在液壓缸支撐力作用下將整機(jī)托起,使試驗(yàn)臺固定在成型隧洞軸心位置,通過主推進(jìn)器的3 個(gè)液壓缸共同作用使刀盤向前完成掘進(jìn)作業(yè),而輔推進(jìn)機(jī)構(gòu)同樣會對主撐靴產(chǎn)生向前的推力。 兩主推進(jìn)液壓缸之間的角度為2β,兩輔推進(jìn)液壓缸之間的角度為2α, 在掘進(jìn)過程中2β 會逐漸變小[7]。

        圖1 主撐靴受力示意圖Fig.1 Schematic diagram of the main support shoe

        1.2 仿真模型參數(shù)設(shè)置

        Abaqus 可以對各種材料進(jìn)行復(fù)雜的固體力學(xué)仿真分析、結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真分析、靜力學(xué)仿真分析等,并且可以對非線性問題能夠運(yùn)用有限元方法進(jìn)行求解[8]。所以在工程上以及一些學(xué)術(shù)研究中Abaqus 被廣泛的使用。 在使用Abaqus 對撐靴與圍巖接觸問題進(jìn)行仿真分析,根據(jù)實(shí)際情況需要對一些模塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,然后按照模塊進(jìn)行分析。 軟件內(nèi)部會自行對設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,自行選擇收斂準(zhǔn)則保證運(yùn)算的準(zhǔn)確性[9]。

        首先需要使用Soildworks 三維軟件繪制已知參數(shù)的新型TBM 撐靴以及圍巖撐靴半徑為4 400 mm,圍巖內(nèi)半徑與撐靴內(nèi)半徑一致外半徑為10 000 mm,將繪制好的撐靴以及圍巖保存成x_t,此模型即為仿真三維模型導(dǎo)入到Abaqus 中進(jìn)行裝配。 其次選擇圍巖的材料屬性以及撐靴的材料屬性,新型TBM 屬于硬巖掘進(jìn)機(jī),所以在掘進(jìn)時(shí)主要針對比較硬的巖體,不同材料屬性的圍巖進(jìn)行仿真會呈現(xiàn)出不同的接觸應(yīng)力以及接觸位移,試驗(yàn)臺的材料是采用硬質(zhì)鋁合金材料,所以進(jìn)行撐靴與圍巖材料屬性的選擇上按照硬質(zhì)鋁合金的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,彈性模量E=71 000 MPa,泊松比μ=0.3。

        撐靴與圍巖的接觸形式屬于面面接觸,如圖2 所示,為了適應(yīng)計(jì)算數(shù)據(jù)的分布特點(diǎn),較好的反應(yīng)數(shù)據(jù)變化的規(guī)律,撐靴與圍巖的網(wǎng)格劃分的疏密程度也不同,在與撐靴接觸部分圍巖的網(wǎng)格劃的密集些以保證分析結(jié)果的精確度。 在對圍巖進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)整個(gè)圍巖為六面體網(wǎng)格,在對撐靴進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)撐靴接觸的底面使用6 面體網(wǎng)格劃分以保證后續(xù)提取的數(shù)據(jù)精度高,因?yàn)樗拿骟w單元比三角形單元的精度高,故其余不規(guī)則部分使用四面體網(wǎng)格劃分[10]。 圍巖的6 個(gè)面的邊界條件設(shè)置為:沿掘直線掘進(jìn)方向兩端的圍巖為完全固定 (U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0),上下兩面對稱約束位移為0,圍巖背部面的為完全固定, 圍巖的內(nèi)面為接觸面不需要設(shè)置約束。主支撐液壓缸的支撐載荷為16 MPa,主推進(jìn)和輔推進(jìn)液壓缸的載荷為10 MPa。

        圍巖在掘進(jìn)過程形成的空間在三維空間中屬于圓柱體,為了方便于數(shù)據(jù)結(jié)果的提取,可以把直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成柱坐標(biāo)系,因?yàn)樵诳臻g內(nèi)任意一點(diǎn)都有6 個(gè)應(yīng)力分量,其中正應(yīng)力有3 個(gè)分量為σx,σy,σz, 切應(yīng)力也有3 個(gè)分量為σxy,σxz,σyz,當(dāng)直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)動時(shí)每個(gè)應(yīng)力都會隨著改變不利于提取以及計(jì)算[11]。 所以需要將直角坐標(biāo)系中的6 個(gè)應(yīng)力進(jìn)行變化轉(zhuǎn)化成柱坐標(biāo),轉(zhuǎn)換矩陣如下

        圖2 撐靴與圍巖網(wǎng)格劃分Fig.2 Boots and surrounding rock meshing

        利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣T 進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,坐標(biāo)T 為

        直角坐標(biāo)與柱坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換公式為

        坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換好后,將相應(yīng)的撐靴以及圍巖的節(jié)點(diǎn)、應(yīng)力、位移等數(shù)據(jù)從Abaqus 中提取出來存成文本格式導(dǎo)入到Matlab 程序中進(jìn)行分析處理, 可以得到撐靴與圍巖的相應(yīng)應(yīng)力圖以及位移圖為后續(xù)對比分析做準(zhǔn)備。

        2 撐靴與圍巖接觸分析

        2.1 撐靴接觸表面分析

        由圖3(a)綜合應(yīng)力云圖可知,撐靴接觸面在前、后雙支撐FT21與FT01共同作用時(shí),應(yīng)力集中分布在3 個(gè)支撐液壓缸與撐靴接觸面處,應(yīng)力最大值為13.3 MPa。撐靴接觸面兩端的應(yīng)力較低,是因?yàn)橹我簤焊椎妮d荷作用使撐靴受到的應(yīng)力在中間集中分布。 由圖3(b)綜合應(yīng)力分布圖可知,撐靴接觸面出現(xiàn)3 個(gè)峰值,峰值均分布在掘進(jìn)方向尺寸為0°的位置,以峰值為中心向四周綜合應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸縮小趨勢。由等勢線圖可知,綜合應(yīng)力分布在周向尺寸為-18°~18°之間,隨著周向尺寸的增大,綜合應(yīng)力呈現(xiàn)先減小再增大最后減小的趨勢。

        圖3 撐靴接觸面綜合應(yīng)力分布圖Fig.3 Overall stress distribution of the contact surface of the boot

        撐靴接觸面綜合位移云圖如圖4 所示,從周向尺寸來看,撐靴接觸面中部位移較小、兩端位移較大,最小位移為0.001 66 mm,最大位移是0.023 6 mm。 這種現(xiàn)象是因?yàn)橹我簤焊椎耐屏κ箵窝ゾo貼圍巖,不能產(chǎn)生位移,撐靴是彈性構(gòu)件, 應(yīng)力集中分布在中部會使兩端翹起從而產(chǎn)生位移。從掘進(jìn)方向尺寸來看,主推進(jìn)一側(cè)位移比輔推進(jìn)一側(cè)的位移更大, 這是因?yàn)橹魍七M(jìn)力FT21和輔推進(jìn)力FT01共同作用所致。撐靴接觸面上最小位移出現(xiàn)在撐靴周向尺寸中部位置,綜合位移有向兩端逐漸增大的趨勢,在兩端達(dá)到最大位移。

        2.2 圍巖接觸表面分析

        由圖5(a)圍巖接觸面綜合應(yīng)力云圖可知,支撐液壓缸和主推進(jìn)液壓缸以及輔推進(jìn)液壓缸的共同作用導(dǎo)致在撐靴與圍巖接觸部位出現(xiàn)6個(gè)應(yīng)力集中峰值, 圍巖接觸面綜合應(yīng)力最大值為4.03 MPa。 由圖5(b)綜合應(yīng)力分布圖可知,圍巖表面應(yīng)力主要分布在周向尺寸-18°~18°區(qū)域范圍內(nèi),6 個(gè)峰值出現(xiàn)在支撐液壓缸對應(yīng)圍巖接觸面處并以凹槽為界兩側(cè)對應(yīng)分布。 綜合應(yīng)力分布基本關(guān)于周向尺寸0°對稱, 隨著周向尺寸增大,接觸面應(yīng)力均是先減小后增大最后減小分布。

        圖4 撐靴接觸面綜合位移云圖Fig.4 Comprehensive displacement cloud map of supporting shoe contact surface

        圖5 圍巖接觸面綜合應(yīng)力分布圖Fig.5 Comprehensive stress distribution diagram of the surrounding rock contact surface

        如圖6 圍巖接觸面綜合位移云圖可知,圍巖接觸面出現(xiàn)了6 個(gè)位移峰值, 最大位移為0.005 8 mm, 圍巖接觸面綜合位移以峰值為中心向四周呈擴(kuò)散縮小分布。圍巖接觸面綜合位移基本關(guān)于周向尺寸對稱,隨著周向尺寸的增大,圍巖表面綜合位移均是先減小再增大最后減小。

        3 赫茲理論計(jì)算

        撐靴與圍巖的接觸模型應(yīng)力計(jì)算方法采用赫茲公式[12]

        式中:Fn為液壓缸對撐靴的壓力;R1,R2分別為撐靴與圍巖的曲率半徑;E1,E2分別為撐靴和圍巖的彈性模量;μ1,μ2為撐靴與圍巖的泊松比。

        圖6 圍巖接觸面綜合位移云圖Fig.6 Distribution of integrated displacement of surrounding rock contact surface

        有限元計(jì)算結(jié)果為13.3 MPa,而赫茲公式計(jì)算的最大接觸應(yīng)力為13.8 MPa,理論計(jì)算比有限元分析結(jié)果大,誤差為0.5 MPa,在材料的安全系數(shù)之內(nèi)。 表明在工程中采用有限元分析是可靠的,為新型TBM 的穩(wěn)定性工作提供一定的依據(jù)。

        4 結(jié)論

        本文通過對撐靴和圍巖的仿真模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置, 選?、蝾悋鷰r建立撐靴與圍巖之間的仿真模型,運(yùn)用Abaque 對撐靴與圍巖的接觸進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,運(yùn)用Matlab 分析了接觸表面綜合應(yīng)力、位移分布特性及變化規(guī)律,得出如下結(jié)論:

        1) 撐靴與圍巖接觸表明綜合應(yīng)力在周向尺寸均分布在-18°~18°范圍內(nèi), 最大值均出現(xiàn)在TBM 掘進(jìn)方向尺寸0°附近,并且出現(xiàn)3 個(gè)峰值。 其中撐靴接觸表面最大應(yīng)力為13 MPa,圍巖接觸表面最大應(yīng)力為4.03 MPa。

        2) 撐靴接觸表面在周向尺寸為0°位置綜合位移較小,最小值為0.001 66 mm,隨周向尺寸的增大,綜合位移逐漸增大,最大值為0.023 6 mm。

        3) 圍巖接觸表面在TBM 掘進(jìn)方向?yàn)?°左右出現(xiàn)綜合位移最大, 最大值為0.005 84 mm, 綜合位移隨TBM 掘進(jìn)方向尺寸的增大而逐漸減小。

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