【正文】 裝機(jī)械的抓取力和頂推力 ，在 ANSYS 軟件中對(duì)單塊標(biāo)準(zhǔn)塊管片進(jìn)行了抓取工況下的應(yīng)力分析。提升力為管片的最大重量的 ~2 倍。推壓力，為管片的最大重量的 5 倍以上。標(biāo)準(zhǔn)塊管片的重量為 3028kg。所以提升力取50000N，推壓力取 150000N。在 ANSYS 中分析管片拼裝過程中的應(yīng)力分析。分析結(jié)果表明，提升過程中在如圖 所示位置管片結(jié)點(diǎn)應(yīng)力最大，為 ,管片滿足強(qiáng)度要求。推壓過程中在如圖 所示管片結(jié)點(diǎn)應(yīng)力最大，為 ，管片滿足強(qiáng)度要求。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文 ） 22 管片與管片拼裝機(jī)械之間的滑移分析 接觸是一種很普遍的非線 性行為。接觸是狀態(tài)變化非線性類型中的一個(gè)特殊而重要的子集。接觸問題分為兩種基本類型：剛體 柔體的接觸、柔體 柔體的接觸。 ANSYS 支持 3 種接觸方式：點(diǎn) 點(diǎn)，點(diǎn) 面，平面 面，每種接觸方式使用的接觸單元適用于某類問題，并且每種類型的問題都有不同的特點(diǎn)。 1MNMX 2093520699.104E+07.156E+07.208E+07.260E+07.311E+07.363E+07.415E+07.467E+07SEP 22 202122:32:41NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1SEQV (AVG)DMX =.445E05SMN =2093SMX =.467E+07 圖 提升時(shí)的應(yīng)力分布 圖 擠壓時(shí)的應(yīng)力分布 ANSYS 支持剛體 柔體的面 面的接觸單元，剛性面被當(dāng)作“目標(biāo)”面，分別用 Targe169 和 Targe170 來模擬二維和三維的“目標(biāo)”面，柔性體 的表面被當(dāng)作“接觸”面，用 Conta171,Conta172,Conta173,Conta174 來模擬。一個(gè)目標(biāo)單元和一個(gè)接觸單元叫作一個(gè)“接觸對(duì)”。程序通過一個(gè)共享的實(shí)常號(hào)來識(shí)別“接觸對(duì)”，為了建立一個(gè)“接觸對(duì)”給目標(biāo)單元和接觸單元指定相同的實(shí)常的號(hào)。與點(diǎn) 面接觸單元相比，面 面接觸單元有好幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：支持低階和高階單元；支持有大滑動(dòng)和摩擦的大變形，協(xié)調(diào)剛度陣計(jì)算，單元提供不對(duì)稱剛度陣的選項(xiàng)；提供工程項(xiàng)目采用的更好的接觸結(jié)果，例如法向壓力和摩擦應(yīng)力；沒有剛體表面形狀的限制，剛體表面的光滑性不是必須允許有自然 的或網(wǎng)格離散引起的表面不連續(xù)；與點(diǎn) 面接觸單元比，需要較多的接觸單元，因而造成需要較小的磁盤空間和 CPU 時(shí)間。 執(zhí)行一個(gè)典型的面 面接觸分析的基本步驟如下： （ 1）建立模型，并劃分網(wǎng)格。 （ 2） 識(shí)別接觸對(duì)。 （ 3） 定義剛性目標(biāo)面。 （ 4） 定義柔性接觸面。 （ 5） 設(shè)置單元關(guān)鍵字和實(shí)常數(shù)。 （ 6） 定義 /控制剛性目標(biāo)面的運(yùn)動(dòng)。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文 ） 23 （ 7） 給定必須的邊界條件。 （ 8） 定義求解選項(xiàng)和載荷步。 （ 9） 求解接觸問題。 （ 10） 查看結(jié)果。 管片拼裝過程中，為了保證管片定位精度，管片與拼裝機(jī)械頂塊之間的相互滑動(dòng)要限制在一定范圍內(nèi) 。在 ANSYS 軟件中進(jìn)行分析，建立管片與頂塊模型，管片采用 solid65 單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，頂塊采用 solid92 單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。在頂塊與管片的四個(gè)接觸面，分別建立接觸對(duì)。頂塊目標(biāo)面用 targe170 來模擬，管片接觸面采用 conta174 來模擬。摩擦系數(shù) 。有限元模型如圖 所示。有限元分析結(jié)果，應(yīng)力分布如圖 所示，最大應(yīng)力為 , 位移分布如圖 所示，最大相互滑動(dòng)為 。滿足定位精度要求。 1 SEP 23 202110:33:40ELEMENTSUACELPRESNORM+07 圖 有限元模型 圖 應(yīng)力分布 圖 變形分布 管片塊設(shè)計(jì)及裝配時(shí)的有限元分析 在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，工程問題一般是物理情況的數(shù)學(xué)模型 [9]。數(shù)學(xué)模型是帶有相關(guān)邊界條件和初值條件的微分方程組，微分方程組是通過對(duì)系統(tǒng)或控制體應(yīng) 用自邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文 ） 24 然的基本定律和原理推導(dǎo)出來的。在許多實(shí)際工程問題中，我們一般不能得到系統(tǒng)的精確解。這可能歸因于控制微分方程組的復(fù)雜性或邊界條件和初值條件的難以確定性。為解決這個(gè)問題，我們需要借助于數(shù)值方法來近似。解析解表明了系統(tǒng)在任何點(diǎn)上的精確行為，而數(shù)值解只在成為節(jié)點(diǎn)的離 散點(diǎn)上近似于解析解。任何數(shù)值解法的第一步都是離散化。這一過程將系統(tǒng)分為一些子區(qū)域和節(jié)點(diǎn)。數(shù)值解法可以分為兩大類：有限差分法和有限元方法。使用有限差分法，需要針對(duì)每一節(jié)點(diǎn)寫微分方程，并用差分方程代替導(dǎo)數(shù)。這一過程產(chǎn)生一組線性方程。有限差分法對(duì)于簡(jiǎn)單問題的求解是易于理解和應(yīng)用的，但是使用該方法難以解決帶有復(fù)雜幾何條件和復(fù)雜邊界條件的問題。對(duì)于具有各向異性的物體來說就是如此[8]。 相比之下，有限元方法使用公式方法而不是微分方程來建立系統(tǒng)的代數(shù)方程組。而且，這種方法假設(shè)代表每個(gè)元素的近似函數(shù)是連續(xù)的。假設(shè)元素間的 邊界是連續(xù)的，通過結(jié)合各單獨(dú)的解產(chǎn)生系統(tǒng)的完全解。 有限元方法是廣泛用于解決應(yīng)力分析、傳熱學(xué)、電磁學(xué)和流體力學(xué)等工程問題的數(shù)值方法?，F(xiàn)代有限元方法的起源可以追溯到 20 世紀(jì)的早期，當(dāng)時(shí)一些研究者應(yīng)用離散的等價(jià)桿擬合模態(tài)的彈性體。在 20 世紀(jì) 50 年代， Boeing 公司采用三角元對(duì)機(jī)翼進(jìn)行建模，大大推動(dòng)了有限元方法的應(yīng)用。然而，直到 20 世紀(jì)60 年代，人們才廣為接受“有限元”這一術(shù)語。在 20 世紀(jì) 60 年代，研究者開始將有限元方法應(yīng)用到解決工程中的其他領(lǐng)域，例如熱傳導(dǎo)和地下滲流 有限元方法的基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域離散 為一組有限個(gè)，且按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元的組合體。由于單元能按不同的聯(lián)結(jié)方式進(jìn)行組合，且單元本身又可以有不同形狀，因此可以模型化幾何形狀復(fù)雜的求解域。有限單元法作為數(shù)值分析方法的另一個(gè)重要特點(diǎn)是利用在每一個(gè)單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來分片地表示全求解域上待求的未知場(chǎng)函數(shù)。單元內(nèi)的近似函數(shù)通常由未知場(chǎng)函數(shù)或及其導(dǎo)數(shù)在單元的各個(gè)結(jié)點(diǎn)的數(shù)值和其插值函數(shù)表示。這樣一來，一個(gè)問題的有限元分析中，未知場(chǎng)函數(shù)或及其導(dǎo)數(shù)在各個(gè)結(jié)點(diǎn)上的數(shù)值就成為新的未知量（也即自由度），從而使一個(gè)連續(xù)的無限自由度問題變?yōu)殡x散的有限自由度問題 。一經(jīng)求解出這些未知量，就可以通過插值函數(shù)計(jì)算出各個(gè)單元內(nèi)場(chǎng)函數(shù)的近似值，從而得到整個(gè)求解域上的近似解。顯然隨著單元數(shù)目的增加，也即單元尺寸的縮小，或者隨著單元自由度的增加及插值函數(shù)精度的提高，解的近似程度將不斷改進(jìn)。如果單元是滿足收斂要求的，近似解最后將收斂于精確解。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文 ） 25 從有限元方法的產(chǎn)生至今，有限元方法的理論和應(yīng)用都得到了迅速的、持續(xù)不斷的發(fā)展。有限元方法的應(yīng)用已由彈性力學(xué)平面問題擴(kuò)展到空間問題、板殼問題，由靜力平衡問題擴(kuò)展到穩(wěn)定問題、動(dòng)力問題和波動(dòng)問題。分析對(duì)象從彈性材料擴(kuò)展到塑性、粘彈性、粘塑性和復(fù)合 材料等，從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)等連續(xù)介質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域。在工程分析中的作用已從分析和校核擴(kuò)展到優(yōu)化設(shè)計(jì)并和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)結(jié)合。 有限元分析步驟 無論對(duì)于何種實(shí)際工程問題，應(yīng)用有限元方法分析的基本步驟都是一樣的。一般的有限元分析基本步驟如下： （ 1）預(yù)處理階段 ① 建立求解域并將之離散化成為有限元，即將問題分解成節(jié)點(diǎn)和單元。 ② 假設(shè)代表單元物理行為的形函數(shù)，即假設(shè)代表單元解的近似連續(xù)函數(shù)。 ③ 對(duì)單元建立方程。 ④ 將單元組合成總體的問題，構(gòu)造總體剛度矩陣。 ⑤ 應(yīng)用邊界條件、初值條件和荷 負(fù)。 （ 2）解決階段 ⑥ 求解線性或非線性的微分方程組，以得到節(jié)點(diǎn)的值，例如得到不同節(jié)點(diǎn)的位移量或熱傳遞問題中的不同節(jié)點(diǎn)的溫度值。 （ 3） 后處理階段 ⑦ 得到其他重要信息。例如主應(yīng)力、熱量等。 有限元分析軟件 20 世紀(jì) 70 年代以來，應(yīng)用有限元商品軟件開始形成，例如 NASTRAN、 ANSYS、ADINA、 SuperSAP 系列等等，這些軟件的出現(xiàn)，將許多科技工作者從復(fù)雜的編制計(jì)算機(jī)程序的勞動(dòng)中解放出來，轉(zhuǎn)向應(yīng)用這些軟件去研究解決許多復(fù)雜的實(shí)際工程問題，使有限元方法向更深更廣的方向發(fā)展。 根據(jù)有限元分析的基本步驟，有限元分析軟件一般由三個(gè)大模塊組成：前處理模塊（預(yù)處理階段）、計(jì)算模塊（解決階段）、后處理模塊（后處理階段） [10]。模塊之間的關(guān)系見圖 3－ 6 所示： 前處理模塊 計(jì)算模塊 后處理模塊 圖 36 軟件模塊圖 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文 ） 26 （ 4）前處理模塊 將整體結(jié)構(gòu)或其一部分離散化，形成離散的網(wǎng)格，用之代替連續(xù)實(shí)體結(jié)構(gòu)或求解區(qū)域，建立有限元分析計(jì)算的數(shù)據(jù)文件，讀入數(shù)據(jù)和生成數(shù)據(jù)文件，為有限元矩陣的計(jì)算作好準(zhǔn)備。它實(shí)現(xiàn)的主要功能有：讀入計(jì)算模型的幾何信息、材料信息和控制信息；計(jì)算存儲(chǔ)分配；節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及單元數(shù)據(jù)生成；引入邊界條件；載荷、質(zhì)量、重量及阻尼生成；帶寬優(yōu)化和 映像檢查等等。 （ 5）計(jì)算模塊 計(jì)算插值函數(shù)矩陣、插值函數(shù)的導(dǎo)數(shù)矩陣和雅可比矩陣，在高斯點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值積分得單元?jiǎng)偠染仃?、單元荷載列陣，再組集成整體剛度矩陣、整體荷載列陣，然后進(jìn)行求解。 （ 6）后處理模塊 對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析、整理、歸納并輸出計(jì)算結(jié)果的文本或圖形。 ANSYS 軟件介紹 ANSYS 軟件是大型通用有限元分析軟件。有限元法是一種采用電子計(jì)算機(jī)求解結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)特性等問題的數(shù)值解法。由于有限元具有精度高、適應(yīng)性強(qiáng)以及計(jì)算格式規(guī)范統(tǒng)一等特點(diǎn)，故在短短 50 多年間已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、宇航航空、汽車 、船舶、土木、核工程及海洋工程等許多領(lǐng)域，已成為現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的一種重要工具。特別是隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和軟、硬件環(huán)境的不斷完善以及高檔計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)工作站的逐步普及，為 ANSYS 的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了更為良好的條件，并展示出更為廣闊的工程應(yīng)用前景。 ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的通用有限元分析軟件，可以廣泛的用于機(jī)械制造、航空航天、石油化工、能源、交通、國(guó)防、土建、地礦、水利等一般工業(yè)及科學(xué)研究領(lǐng)域。 ANSYS 具有多種物理場(chǎng)的耦合功能，允許在同一個(gè)模型上進(jìn)行各種各樣的耦合計(jì)算，如： 熱 —— 結(jié)構(gòu)耦合、磁 —— 結(jié)構(gòu)耦合等，這樣就確保了 ANSYS 對(duì)多領(lǐng)域多變工程問題的求解。該軟件提供了一個(gè)不斷改進(jìn)的功能清單，具體包括：結(jié)構(gòu)高度非線性分析、電磁分析、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、接觸分析、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分以及利用 ANSYS 參數(shù)設(shè)計(jì)語言（ APDL）的擴(kuò)展宏命令功能?；?Motif 的菜單系統(tǒng)使用戶能夠通過對(duì)話框、下拉菜單和子菜單進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入和功能選擇，為用戶使用 ANSYS 提供“導(dǎo)航”。 ANSYS 按功能作用可分為：一個(gè)前處理器、一個(gè)求解器、兩個(gè)后處理器、幾個(gè)輔助處理器等。前處理器用于生成有限元模型；求 解器用于施加載荷及邊界條邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文 ） 27 件，完成求解計(jì)算；后處理器用于獲取求解結(jié)果，并對(duì)模型做出評(píng)價(jià)。 管片設(shè)計(jì)中的有限元分析 管片厚度一般為管片外徑的 4%左右，初步確定管片厚度為 350mm。管片寬度視隧道斷面大小而異，一般在 300~1500mm 的范圍之內(nèi)。采用鋼制管片時(shí)，為750~1200mm，采用混凝土類的管片時(shí)，為 900mm~1200mm?？紤]工程實(shí)際用途，在綜合參考各類型管片的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用鋼筋混凝土管片。管片寬度初步確定為 1200mm。采用 8 塊標(biāo)準(zhǔn)塊， 1 塊楔塊的形式。標(biāo)準(zhǔn)塊弧度為 176。 ,楔塊弧度為 176。 為確定管片拼裝機(jī)械的抓取力和頂推力，在 ANSYS 軟件中對(duì)單塊標(biāo)準(zhǔn)塊管片進(jìn)行了抓取工況下的應(yīng)力分析。根據(jù)《現(xiàn)代隧道設(shè)計(jì)與施工》第 181 頁所述，提升力，為管片的最大重量的 ~2 倍。推壓力，為管片的最大重量的 5 倍以上。標(biāo)準(zhǔn)塊管片的重量為 3028kg。所以提升力取 50000N，推壓力取 150000N。在 ANSYS中分析管片拼裝過程中的應(yīng)力分析。 分析結(jié)果表明，提升過程中在如圖 所示位置管片結(jié)點(diǎn)應(yīng)力最大，為 ,管片滿足強(qiáng)度要求。 許多普通結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出一種與狀態(tài)相關(guān)的非線性行為。例如， 一根只能拉伸的電纜可能是松散的，也可能是繃緊的。軸承套可能是接觸的，也可能是不接觸的，凍土可能是凍結(jié)的，也可能是融化的。這些系統(tǒng)的剛度由于系統(tǒng)狀態(tài)的改變?cè)诓煌闹抵g突然變化。狀態(tài)改變也許和載荷直接有關(guān)（如在電纜情況中），也可能由某種外部原因引起（如在凍土中的紊亂熱力學(xué)條件）。 ANSYS 軟件中單元的激活與禁用選項(xiàng)用來給這種狀態(tài)的變化建模。 接觸是一種很普遍的非線性行為。接觸是狀態(tài)變化非線性類型中的一個(gè)特殊而重要的子集。接觸問題是一種高度非線性行為，需要較大的計(jì)算資源，為了進(jìn)行實(shí)為有效的計(jì)算，理解問題的特性和 建立合理的模型是很重要的。 接觸問題存在兩個(gè)較大的難點(diǎn)：其