计算机虚拟技术在矩形隧道掘进机设计中的应用.pdf

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1、计算机虚拟技术在矩形隧道掘进机设计中的应用ApplicationofComputerVirtualizationTechnologytoTBMDesignforRectangularTunnel黄毅滕延锋李冀清上海市机械施工有限公司上海200072摘要：以矩形隧道掘进机为研究对象，围绕计算机虚拟设计与分析等相关技术理论，论述了如何应用虚拟设计的方法达到快速开发矩形隧道掘进机的目的。重点对矩形隧道掘进机的虚拟建模、虚拟装配、干涉分析和结构分析进行了研究。实践证明，在矩形隧道掘进机设计方面采用虚拟技术可以节省大量的人力物力，工作效率大

2、大提高。关键词：虚拟技术矩形隧道掘进机三维建模有限元分析中图分类号：TUI7文献标识码：B文章编号：1004—1001(2013)03—0235—021虚拟设计技术简介近年来，随着信息技术的发展，虚拟设计技术的产生、发展和应用很好地解决了传统产品开发过程中存在的问题。与传统产品开发相比，虚拟产品开发不仅不消耗物质资趣源和能源，而且可在产品生产前对产品的不同实现方式进行评估和优化，提高了产品实现的可行性，并大大简化了物理实验过程。虚拟技术通过建立产品的数字化模型对产品进行实时性功能仿真，使得设计人员和用户在产品生命周期内寻求最优化设

3、计。例如，有限元分析、人机工程分析、f《l1饺接密封(P){：体结翰干涉分析和加工过程分析等，可使企业更快更全面地了解图1矩形隧道掘进机主要部件的三维模型新产品的各个部分，提高产品的未来竞争力。矩形隧道掘进机各个部件的工作特点进行了部件设2矩形隧道掘进机虚拟模型与装配计，设计后的零部件仅满足了各个部件相应的功能。但在矩形隧道掘进机是在矩形壳体的保护下，采用破碎土生产制造阶段，还需要从总体的角度对矩形隧道掘进机进体的方法完成矩形隧道开挖的设备。它由切削刀盘和矩形行装配设计，主要是修正各个零部件之间的运动干涉(例壳体组成，中间通过铰接

4、结构相互连接在一起。整个设计如，由于选用了多刀盘驱动系统，各个刀盘驱动系统之间在位于工作井内的后顶油缸驱动下向前推进。可能存在干涉，刀盘和壳体之间也可能存在干涉等)，保2．1矩形隧道掘进机的三维建模证足够的装配空间，同时还需要从人机工程学的角度考矩形隧道掘进机主要由切削部分、壳体部分、驱动虑各个操作位置的适合性和方便性，为整机制造工艺和部分和排土部分组成。综合考虑各个部分的工作特点和尺使用提供指导。寸，其三维模型如图1所示。新型矩形隧道掘进机的总体装配图如图2所示。2．2矩形隧道掘进机装配设计在矩形隧道掘进机的零部件设计阶段，由于

5、仅仅根据3隧道掘进机有限元分析3．1主体结构分析模型的建立矩形隧道掘进机的前方胸板、四周的壳体、内部的支作者简介：黄毅(1972一)，男，硕士，教授级高级工程师，副承柱和加强筋板共同组成了矩形隧道掘进机的主体结构。总经理。作者地址：上海市洛川中路701号(200072)。在设计中这些部件应满足强度和刚度要求。收稿日期：20l2—12—26由于矩形隧道掘进机的实际受力情况复杂，为了提高2013·3BuildingC。nstrueti。nI235黄毅滕延锋李冀清：计算机虚拟技术在矩形隧道掘进机设计中的应用计算效率和保证计算精度，必须对

6、矩形隧道掘进机主体结析考虑情况更加全面，一般比特征值稳定分析更精确，本文构进行合理的简化和必要的假设，使受力情况及有限元模同时采用了线性稳定分析和非线性稳定分析方法。型尽量符合矩形隧道掘进机的实际情况。因此将矩形隧道首先进行主体结构的线性稳定分析，得到了主体结构掘进机结构简化为图3所示的计算模型，便于有限元模型的各阶失稳特征值；然后以失稳特征值为计算起点进行非线建立。性稳定分析，研究主体结构在发生失稳后的力学行为。非线性分析结果如图7所示。如图7所示，在外荷载比例因子大于0．7BJ，胸板位移叠的增加速度大于外荷载的增加速度，因此可

7、以认为矩形隧道掘进机主体结构在外荷载比例因子为0-7时发生了极值点图2矩形隧道掘进机的虚拟装配模型图3主体结构强度计算模型失稳。但实际上，胸板在此时已经发生了近1o0mm的变形。因此，可以认为矩形隧道掘进机主体结构在现有参数3．2荷载与约束条件条件下，控制矩形隧道掘进机主体结构力学状态的主要因矩形隧道掘进机主要结构受力主要包括：矩形隧道掘素不是稳定问题，而是普通的强度问题。进机自重、作用在胸板上的被动土压力以及作用在环形四3．5主体结构壁厚优化分析周的竖向土压力和侧向土压力。在设计过程中，为了对壁厚设计参数进行优化设计，在实际工作

8、状态下，矩形隧道掘进机后部与预制箱涵分别计算了壁厚从30~55mm变化的情况下，胸板位移的变使用若干高强螺栓组进行牢固连接。在计算中，则将上述化曲线如图8所示。连接方式简化为对矩形隧道掘进机主体结构的固定约束。整个矩形隧道掘进机结构计算的受力和约束