【正文】 接觸問(wèn)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(wèn)題的特性和 建立合理的模型是很重要的。 接觸是一種很普遍的非線性行為。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）。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。 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。在 ANSYS中分析管片拼裝過(guò)程中的應(yīng)力分析。標(biāo)準(zhǔn)塊管片的重量為 3028kg。根據(jù)《現(xiàn)代隧道設(shè)計(jì)與施工》第 181 頁(yè)所述，提升力，為管片的最大重量的 ~2 倍。 ,楔塊弧度為 176。采用 8 塊標(biāo)準(zhǔn)塊， 1 塊楔塊的形式?？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。管片寬度視隧道斷面大小而異，一般在 300~1500mm 的范圍之內(nèi)。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(yáng)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)?；?Motif 的菜單系統(tǒng)使用戶能夠通過(guò)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 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(wèn)題的求解。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。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(wèn)題的數(shù)值解法。 （ 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。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。 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]。例如主應(yīng)力、熱量等。 （ 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(wèn)題中的不同節(jié)點(diǎn)的溫度值。 ④ 將單元組合成總體的問(wèn)題，構(gòu)造總體剛度矩陣。 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)。 有限元分析步驟 無(wú)論對(duì)于何種實(shí)際工程問(wèn)題，應(yīng)用有限元方法分析的基本步驟都是一樣的。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。 邵陽(yáng)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。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)。這樣一來(lái)，一個(gè)問(wèn)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(wú)限自由度問(wèn)題變?yōu)殡x散的有限自由度問(wèn)題 。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(lái)分片地表示全求解域上待求的未知場(chǎng)函數(shù)。在 20 世紀(jì) 60 年代，研究者開(kāi)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。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。 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(wèn)題的數(shù)值方法。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。對(duì)于具有各向異性的物體來(lái)說(shuō)就是如此[8]。這一過(guò)程產(chǎn)生一組線性方程。數(shù)值解法可以分為兩大類：有限差分法和有限元方法。任何數(shù)值解法的第一步都是離散化。為解決這個(gè)問(wèn)題，我們需要借助于數(shù)值方法來(lái)近似。在許多實(shí)際工程問(wèn)題中，我們一般不能得到系統(tǒng)的精確解。 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(wèn)題一般是物理情況的數(shù)學(xué)模型 [9]。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 。摩擦系數(shù) 。在頂塊與管片的四個(gè)接觸面，分別建立接觸對(duì)。 管片拼裝過(guò)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) 。 （ 9） 求解接觸問(wèn)題。 邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文 ） 23 （ 7） 給定必須的邊界條件。 （ 5） 設(shè)置單元關(guān)鍵字和實(shí)常數(shù)。 （ 3） 定義剛性目標(biāo)面。 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。程序通過(guò)一個(gè)共享的實(shí)常號(hào)來(lái)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)。 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(lái)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(lái)模擬。接觸問(wèn)題分為兩種基本類型：剛體 柔體的接觸、柔體 柔體的接觸。 邵陽(yáng)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。分析結(jié)果表明，提升過(guò)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。所以提升力取50000N，推壓力取 150000N。推壓力，為管片的最大重量的 5 倍以上。 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。標(biāo)準(zhǔn)塊弧度為 176。本文采用鋼筋混凝土管片，管片寬度初步確定為 1200mm。管片寬度視隧道斷面大小而異，一般在 300~1500mm 的范圍之內(nèi)。上下水道和電力通信等隧道，一般分為 5~7 塊。其中，從隧道內(nèi)側(cè)插入的（半徑方向插入型） K型管片的長(zhǎng)度取小于 A、 B 型管片的為好。管片環(huán)的分塊：管片環(huán)一般由數(shù)塊 A 型管片、兩塊 B 型管片和一塊可在最后在頂點(diǎn)附近封頂?shù)?K 型管片組成。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。管片寬度應(yīng)根據(jù)隧道的斷面，結(jié)合實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，選擇在經(jīng)濟(jì)性、施工性方面較合理的尺寸。管片寬度：從便于搬運(yùn)、組裝以及在隧道曲線段上的施工，考慮盾尾長(zhǎng)度等條件，管片寬度小一些為好。管片厚度：管片厚度與隧道斷面大小的邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文 ） 21 比，取決于土質(zhì)條件、覆蓋層厚度等，而主要 是取決于荷載條件，但有時(shí)隧道的使用目的和管片施工條件也起支配作用。管片環(huán)的外徑尺寸，取決于隧道凈空和襯砌厚度（管片厚度、二次襯砌厚度等）。 管片的形狀及尺寸應(yīng)根據(jù)使用目的、并便于施工和節(jié)約成本來(lái)確定。目前還沒(méi)有通用的方法對(duì)此作出解答。因此，對(duì)管片形式、管片安裝機(jī)械及安裝工藝過(guò)程進(jìn)行研究分析，尋求合理的解決方案，具有重要意義 [7]。提高管片安裝的效率與質(zhì)量一直是隧道工程界的追求目標(biāo)。 在隧道工程中 ，如果使用的是護(hù)盾式 TBM（其既可以用于軟巖的掘進(jìn)，也可以用于硬巖的場(chǎng)合），與之配套的往往是連續(xù)安裝的管片支護(hù)。因此掘進(jìn)機(jī)技術(shù)具有廣闊的市場(chǎng)空間，潛在需求巨大。目前我國(guó)隧洞建設(shè)使用的全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)主要依賴進(jìn)口，外匯耗費(fèi)數(shù)額巨大，因此依托國(guó)家工程建設(shè)潛在需求，開(kāi)發(fā) TBM 核心集成技術(shù)，發(fā)展我國(guó)高技術(shù)隧道掘進(jìn)技術(shù)和成套裝備尤顯重要。鐵路選線標(biāo)準(zhǔn)的高低，在很大程度上取決于隧道長(zhǎng)度的修建水平。 邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文 ） 20 3 TBM 在裝配與受力時(shí)的有限元分析 我國(guó)幅員遼闊，尤其是西部山多，而交通又很不發(fā)達(dá)。鑒于速度、質(zhì)量、環(huán)境以及綜合造價(jià)等因素，越來(lái)越多的工程建設(shè)單位將首 選采用隧道掘進(jìn)機(jī)施工。隨著 21 世紀(jì)我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)、西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，我國(guó)的鐵路、公路、大中型水電站建設(shè)以及南水北調(diào)、西氣東輸?shù)裙こ虒⒂写罅康拈L(zhǎng)大隧道需要建設(shè)；現(xiàn)代化城市建設(shè)中的地鐵工程、市政工程 ( 排污管、輸水管 ) 、越江隧道也在不斷增加。微型頂管機(jī)是一種遙控的掘進(jìn)機(jī)，要研國(guó)許多城市有這種地層，目前復(fù)合型盾構(gòu)國(guó)內(nèi)還沒(méi)究配套的測(cè)量導(dǎo)向系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)，提高我國(guó)城市有，全部依賴進(jìn)口。須大力推廣土壓平衡型、泥水平衡型、反鏟型頂管復(fù)合型盾構(gòu)的大刀盤上裝有切削軟土的刀排和機(jī)。而我國(guó)目前 TBM 隧道掘進(jìn)機(jī)適用于巖石地層，掘進(jìn)機(jī)前端應(yīng)用的頂管機(jī)大部分為落后的手掘式頂管機(jī)，為提刀盤上裝有硬質(zhì)合金滾刀。隧道測(cè)量導(dǎo)向系統(tǒng)和施工監(jiān)控系統(tǒng)，國(guó)產(chǎn)化率達(dá)中小口徑頂管掘進(jìn)機(jī)的系列化和推廣應(yīng)用 70% ，使施工性能達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，盾直徑 ～ m 的中口徑頂管機(jī)主要用于城構(gòu)液壓閥件的國(guó)產(chǎn)化率達(dá) 60% 。結(jié)合各城市的不同工程地質(zhì)水文條件，設(shè)斷面。我國(guó)已研制首臺(tái)矩形盾構(gòu)用 土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)是一種先進(jìn)實(shí)用的隧道掘軸式刀盤。場(chǎng)可達(dá) 10 億美元，若有 60% 采用國(guó)產(chǎn)掘進(jìn)機(jī)，至少（ 3）異形斷邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文 ） 19 面盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的研究可節(jié)省外匯 6 億美元，并可振興我國(guó)的掘進(jìn)機(jī)制造橢圓形、矩形、馬蹄形等斷面的盾構(gòu)是為適應(yīng)不業(yè)。水電隧。鐵路隧道Ф 8. 5m 的 TBM 掘進(jìn)機(jī)每臺(tái) 3000 萬(wàn)美元，進(jìn)口約需 1000 萬(wàn)美元， 20 臺(tái)約需 2 億 美元。其他城市管道的建設(shè)，Ф ～ 5 m 的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)需求量約為 100 臺(tái)。直徑 4～ 6 m 的地鐵盾構(gòu)的需求量約達(dá) 40 余 臺(tái)，鐵路隧道將有部分采用 TBM 掘進(jìn)機(jī)，在今后 10 年內(nèi)Ф 8. 6m 的TBM 掘進(jìn)機(jī)需求量約為 6 臺(tái)。 我國(guó) 2021 ～ 2021 年隧道掘進(jìn)機(jī)市場(chǎng)預(yù)測(cè)面對(duì) 21 世紀(jì)我國(guó)城市地下空間開(kāi)發(fā)利用的廣闊市場(chǎng)，在 2021 ～ 2021 年 10 年間，我國(guó)將有 20 余座城市建設(shè)地鐵，至少將建 250 km 。 m 組合刀盤土壓平衡式矩形頂管機(jī)，完成了 2 條 62 m 長(zhǎng)的地下人行通道，使我國(guó)在異形盾構(gòu)的開(kāi)發(fā)研究方面擠入世界先進(jìn)行列。在直徑 ～ 3 m 的頂管掘進(jìn)機(jī)方面，我國(guó)已經(jīng)先后研制了先進(jìn)的反鏟頂管機(jī)、土壓平衡頂管機(jī)和泥水加壓頂管機(jī)，國(guó)內(nèi)已完全有能力制造國(guó)產(chǎn)機(jī)械，替代進(jìn)口設(shè)備。 我國(guó)隧道掘進(jìn)機(jī)發(fā)展的內(nèi)容和展望 我國(guó)從 20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，已成功地研制了直徑 ～ m 的土壓平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī) 10 余臺(tái)，用于地鐵隧道、引排水隧道、電纜隧道工程 ，技術(shù)水平已接近國(guó)際先進(jìn)，在隧道導(dǎo)向技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)方面的研究也達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)。 1997 年，安康鐵路秦嶺隧道 I 線采用從德國(guó) WIRTH 公司引進(jìn)的兩臺(tái) TB850 /1000E 直徑 m TBM 掘進(jìn)機(jī)施工，見(jiàn)圖 9，掘進(jìn)隧道 長(zhǎng)度 18. 46 km， 分別由南北兩頭掘進(jìn)施工，中間對(duì)接。這是中國(guó)第一條采用大斷面的巖石掘進(jìn)機(jī)施工的隧道。該工程隧道于 1983 年 3 月 15 日掘進(jìn)貫通，歷時(shí) 15 個(gè)月零 21 天，是中國(guó)第一條用掘進(jìn)機(jī)施工的中型斷面隧道； SJ 58A 掘進(jìn)機(jī)切削刀盤。 1977 年 4 月至 1978 年 4 月 SJ 58 型隧道掘進(jìn)機(jī)在云南西洱河水電站的水工隧道中進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，進(jìn)行了一次比較全面徹底的改裝設(shè)計(jì)，提高了該機(jī)的技術(shù)性能和今后掘進(jìn)施工的可靠性 及適應(yīng)性。西安煤礦機(jī)械廠也試 制了一臺(tái)直徑 m 的掘進(jìn)機(jī)被銅川礦務(wù)局用作工業(yè)性試驗(yàn)應(yīng)用，掘進(jìn)長(zhǎng)度 669 m 。 1969 年由廣州市機(jī)電工業(yè)局制造了一臺(tái)直徑 4m 的掘進(jìn)機(jī)，進(jìn)行試驗(yàn)性工程的實(shí)踐。由上海勘測(cè)設(shè)計(jì)院機(jī)械設(shè)計(jì)室、北京 水電學(xué)院機(jī)電系分別進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。日本在 20 世紀(jì) 80 年代開(kāi)發(fā)應(yīng)用了矩形隧道，在 20 世紀(jì) 90 年代開(kāi)發(fā)應(yīng)用了任意截面盾構(gòu)和多圓盾構(gòu)，并完成了多條人行隧道、公路隧道、鐵路隧道、地鐵隧道、排水隧道、市政共同溝隧道等，使異形盾構(gòu)技術(shù)日益成