一種隧道施工救生艙艙體強(qiáng)度有限元模擬分析方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于隧道施工救援配套技術(shù)領(lǐng)域，并公開了一種隧道施工救生艙艙體強(qiáng)度的有限元模擬分析方法，其包括如下步驟：(a)依據(jù)救生艙艙體的實(shí)際尺寸進(jìn)行建模，以獲得同時(shí)包含有艙體主體結(jié)構(gòu)和重點(diǎn)部位在內(nèi)的艙體模型；(b)仿真計(jì)算出作用于艙體外表面區(qū)域的載荷，將載荷加載于艙體模型，并計(jì)算出反映救生艙中梁柱和板殼的模擬結(jié)果；(c)模擬計(jì)算得出反映該救生艙中艙門、救生門和觀察窗的模擬結(jié)果，并相應(yīng)判定重點(diǎn)部位是否發(fā)生破壞失效。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)不同工況下救生艙艙體強(qiáng)度的模擬與分析，具有實(shí)用性強(qiáng)、模擬結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
一種隧道施工救生艙艙體強(qiáng)度有限元模擬分析方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于地下工程建設(shè)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種隧道施工救生艙艙體強(qiáng)度有限元模擬分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來軟弱圍巖隧道施工事故頻發(fā)，造成設(shè)備、人員損失慘重，社會影響極大。根據(jù)災(zāi)后事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)，70%的軟弱圍巖坍塌發(fā)生在掌子面后方，塌方發(fā)生后，掌子面人員被困，由于搶救不及時(shí)或塌方范圍慢慢波及至掌子面，極易導(dǎo)致被困人員受傷或遇難，因此隧道施工救生艙有廣泛的應(yīng)用空間和市場價(jià)值。
[0003]隧道施工救生艙可在事故后為避難人員提供周期內(nèi)基本的生命保障，作用極其重要，因此救生艙本身需具備一定的安全可靠性，可承受外界一定載荷沖力能力。但目前針對隧道施工救生艙的資料較少，更極少涉及到隧道施工救生艙強(qiáng)度的分析驗(yàn)證方法，缺乏應(yīng)對隧道施工救生艙的設(shè)計(jì)制造指導(dǎo)和規(guī)范要求，不便于地下工程建設(shè)隧道施工救生系統(tǒng)的市場化推廣，導(dǎo)致同系列產(chǎn)品的合格驗(yàn)證規(guī)范化研制周期較長。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種隧道施工救生艙艙體強(qiáng)度的有限元模擬分析方法，該方法可針對隧道施工救生艙的特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，結(jié)合救生艙的應(yīng)用環(huán)境和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)建模，驗(yàn)證艙體在設(shè)定載荷沖擊下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，便于設(shè)計(jì)人員根據(jù)分析驗(yàn)證數(shù)據(jù)對隧道施工救生艙進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和系列化產(chǎn)品推廣，提高艙體結(jié)構(gòu)的安全可靠性。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種隧道施工救生艙艙體強(qiáng)度有限元模擬分析方法，其特征在于，該方法包括如下步驟:
[0006](a)救生艙艙體建模步驟
[0007]選擇作為模擬分析對象的救生艙，并依據(jù)救生艙艙體的實(shí)際尺寸進(jìn)行建模，由此獲得同時(shí)包含有艙體主體結(jié)構(gòu)和重點(diǎn)部位在內(nèi)的艙體模型，其中所述主體結(jié)構(gòu)包括梁柱和板殼，所述重點(diǎn)部位包括艙門、救生門和觀察窗；
[0008](b)艙體載荷計(jì)算處理步驟
[0009]基于步驟(a)所獲得的艙體模型，同時(shí)結(jié)合預(yù)設(shè)的塌方荷載條件，相應(yīng)仿真計(jì)算出作用于艙體外表面區(qū)域的載荷;接著，將該載荷模擬加載于所述艙體模型，并模擬計(jì)算得出反映該救生艙中梁柱和板殼在加載后的模擬結(jié)果，其中:
[0010]當(dāng)艙體模型的整體強(qiáng)度超過設(shè)計(jì)的強(qiáng)度極限時(shí)，直接判定救生艙艙體破壞失效；而當(dāng)艙體模型中所述板殼的最大變形撓度>2%或變形量>20mm時(shí)，或者所述梁柱的最大變形撓度> I %或變形量> 1mm時(shí)，判定救生艙艙體變形失效；
[0011](C)艙體沖擊強(qiáng)度校核處理步驟
[0012]同樣將所述載荷模擬加載于所述艙體模型的重點(diǎn)部位，模擬計(jì)算得出反映該救生艙中艙門、救生門和觀察窗這些重點(diǎn)部位在加載后的模擬結(jié)果，并相應(yīng)判定這些重點(diǎn)部位是否發(fā)生破壞失效。
[0013]作為進(jìn)一步優(yōu)選的，對于步驟(a)而言，其建模過程優(yōu)選如下:
[0014]以救生艙艙體的寬度方向?yàn)閄軸、以救生艙艙體的高度方向?yàn)閅軸、以救生艙艙體的長度方向?yàn)閆軸，相應(yīng)建立XYZ三軸坐標(biāo)系;然后，在該坐標(biāo)系上依據(jù)所述救生艙的實(shí)際尺寸建立反映其整體結(jié)構(gòu)的艙體模型，并設(shè)立邊界條件。
[0015]作為進(jìn)一步優(yōu)選的，在上述建模過程中，優(yōu)選將艙體主體結(jié)構(gòu)的實(shí)體梁柱設(shè)定為模型中的實(shí)體單元，將空心梁柱設(shè)定為模型中的殼單元，同時(shí)將板殼設(shè)定為模型中的殼單元，并且整體采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。
[0016]作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述實(shí)體單元的截面優(yōu)選設(shè)計(jì)為每邊網(wǎng)格多2排，所述殼單元的網(wǎng)格尺寸優(yōu)選設(shè)計(jì)為不小于其厚度的5倍，同時(shí)不大于其厚度的20倍。
[0017]作為進(jìn)一步優(yōu)選的，對于步驟(b)和(C)而言，所述模擬結(jié)果的形式優(yōu)選為應(yīng)力云圖、應(yīng)變云圖和位移云圖。
[0018]作為進(jìn)一步優(yōu)選的，在步驟(C)之后，優(yōu)選還包括以下處理:
[0019](d)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度綜合評估步驟:
[0020]以艙體主體結(jié)構(gòu)中的實(shí)體梁柱的模擬結(jié)果為基準(zhǔn)，并結(jié)合步驟(b)和(C)中的判定結(jié)論，統(tǒng)計(jì)得出救生艙結(jié)構(gòu)損傷類型及失效數(shù)量的結(jié)果。
[0021]作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述載荷優(yōu)選為均布靜載荷和沖擊載荷，并且其中該均布靜載荷包括豎向荷載、豎向荷載加一側(cè)水平荷載以及豎向荷載加兩側(cè)水平荷載。
[0022]作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述豎向荷載為在艙體頂部圓弧面施加均布力，具體為
0.38MPa，所述一側(cè)水平荷載為在艙體長度方向一側(cè)面施加均布力，具體為0.19MPa，所述兩側(cè)水平荷載為在艙體長度方向兩側(cè)面施加均布力，具體為0.19Mpa;所述述沖擊載荷優(yōu)選為200KN，并作用在艙體的兩端或中間部位的I平米面積上。
[0023]作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述實(shí)體梁柱譬如為加強(qiáng)筋，其中該加強(qiáng)筋優(yōu)選采用如下方式布置于作為模擬分析對象的救生艙中:在所述艙體內(nèi)部的前后端面以水平和垂直的方式布置多根角鋼作為加強(qiáng)筋，在所述艙體內(nèi)部的左右側(cè)面水平均勻布置多根扁鋼作為加強(qiáng)筋，在所述艙體內(nèi)部的底面沿艙體長度方向均勻布置多根扁鋼作為加強(qiáng)筋，在所述艙體內(nèi)部的頂面沿艙體長度方向均勻布置多根T型鋼作為加強(qiáng)筋，在艙體內(nèi)部的縱向上還設(shè)置有多圈T型鋼作為加強(qiáng)筋，該多圈T型鋼沿所述艙體的長度方向均勻分布。
[0024]作為進(jìn)一步優(yōu)選的，對于作為模擬分析對象的隧道施工救生艙而言，其優(yōu)選包括箱體結(jié)構(gòu)的艙體、設(shè)置在該艙體前后端面的方形艙門、設(shè)置在該艙體左右側(cè)面的逃生門，以及設(shè)置在所述方形艙門中的觀察窗。
[0025]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果:
[0026]1.本發(fā)明按照艙體的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行建模，獲得救生艙艙體的整體結(jié)構(gòu)模型，并通過數(shù)值模擬隧道內(nèi)發(fā)生坍方時(shí)艙體所承受的載荷，將該載荷作為救生艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的載荷條件，計(jì)算確定整個(gè)艙體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和耐均布壓力的能力，對救生艙艙體的強(qiáng)度、可靠性和抗沖擊性能進(jìn)行理論驗(yàn)證，可顯著提高此類應(yīng)用于隧道等地下工程建設(shè)救生艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性和可靠性，便于后期救生艙的規(guī)范化、模塊化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期和降低試驗(yàn)成本，驗(yàn)證方法簡單有效，提高類似隧道施工救生艙系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)效率，可為行業(yè)制定標(biāo)準(zhǔn)提供參考，實(shí)用性強(qiáng)。
[0027]2.本發(fā)明中施加均布靜載荷時(shí)，分別考慮三種典型工況:豎向荷載工況、豎向荷載和一側(cè)水平荷載工況、豎向荷載和兩側(cè)水平荷載工況下艙體承受靜載荷的分析，載荷以均布力形式施加到艙體結(jié)構(gòu)上，可獲得準(zhǔn)確的加載數(shù)據(jù)。
[0028]3.本發(fā)明分析驗(yàn)證了艙體在均布靜載荷和沖擊載荷各典型工況下的應(yīng)力應(yīng)變情況，詳細(xì)校核各結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平和分布區(qū)域和變形情況，可對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或剛度不滿足的部位結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對性的優(yōu)化和加強(qiáng)，保證艙體結(jié)構(gòu)具備對應(yīng)安全系數(shù)下的強(qiáng)度和剛度水平，為救生艙艙體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和參考。
【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明的有限元模擬分析方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0031]本發(fā)明的基本原理是在隧道施工救生艙基本框架結(jié)構(gòu)確定的基礎(chǔ)上，對救生艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維實(shí)體建模，例如可采用CAD等各種常用的三維建模軟件進(jìn)行建模，以詳細(xì)模擬救生艙艙體外圍壁和內(nèi)部框架骨材結(jié)構(gòu);根據(jù)隧道施工現(xiàn)場塌方的實(shí)際情況，分別考慮艙體在均布靜載荷和沖擊載荷各典型工況下的應(yīng)力應(yīng)變水平，獲得救生艙艙體的強(qiáng)度結(jié)果，并可詳細(xì)校核各結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平和分布區(qū)域及變形情況，對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或剛度不滿足的部位的結(jié)構(gòu)可進(jìn)行針對性的優(yōu)化和加強(qiáng)，使得救生艙艙體的強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求。
[0032]本發(fā)明實(shí)施例提供的一種隧道施工救生艙艙體強(qiáng)度的有限元模擬分析方法，其主要包括如下步驟:
[0033](a)救生艙艙體建模步驟:
[0034]選擇作為模擬分析對象的救生艙，并依據(jù)救生艙艙體的實(shí)際尺寸進(jìn)行建模，可采用常用的建模軟件進(jìn)行建模，由此獲得同時(shí)包含有艙體主體結(jié)構(gòu)和重點(diǎn)部位在內(nèi)的艙體模型，其中所述主體結(jié)構(gòu)包括梁柱和板殼，所述重點(diǎn)部位包括艙門、救生門和觀察窗。
[0035]具體的，本發(fā)明作為模擬分析對象的救生艙其優(yōu)選包括箱體結(jié)構(gòu)的艙體、設(shè)置在該艙體前后端面的方形艙門、設(shè)置在該艙體左右側(cè)面的逃生門，以及設(shè)置在所述方形艙門中的觀察窗，所有艙門均為外開式，便于進(jìn)艙人員開啟。其中，艙體材料為Q345R，艙體長寬高分別為4.5mX 2.0mX 1.83m，艙體頂面和底面鋼板厚度為8mm，兩側(cè)面和端面鋼板厚度為4mm，頂面為圓弧形(拱高0.25m)，耐沖擊力更為突出。
[0036]所述實(shí)體梁柱譬如為加強(qiáng)筋，其中該加強(qiáng)筋優(yōu)選采用如下方式布置于作為模擬分析對象的救生艙中:在所述艙體內(nèi)部的前后端面以水平和垂直的方式布置多根角鋼作為加強(qiáng)筋，在所述艙體內(nèi)部的左右側(cè)面水平均勻布置多根扁鋼作為加強(qiáng)筋，具體的，例如可布置三根80mm寬6mm厚的扁鋼，在所述艙體內(nèi)部的底面沿艙體長度方向均勻布置多根扁鋼作為加強(qiáng)筋，具體的，譬如布置四根80mm寬6mm厚的扁鋼，在所述艙體內(nèi)部的頂面沿艙體長度方向均勻布置多根T型鋼作為加強(qiáng)筋，具體譬如為四根，在艙體內(nèi)部的縱向上還設(shè)置有多圈T型鋼作為加強(qiáng)筋，具體譬如為8圈，該8圈T型鋼沿所述艙體的長度方向均勻分布。具體的，所述T型鋼的腹板高度譬如為80mm、厚度譬如為8mm，T型鋼的翼板寬度譬如為80mm、厚度譬如為8mm。方形艙門尺寸為1400mm高X 600mm寬X RlOOmm(四個(gè)角的倒角半徑)，門板厚度8mm，開設(shè)在艙體左、右側(cè)面的左、右艙門的尺寸800mm高X 600mm寬X R1000mm(四個(gè)角的倒角半徑)，門板厚度8mm。艙體的主要性能指標(biāo)如下:彈性模量E = 1.96 X 15MPa,屈服極限:在環(huán)境溫度20 °C時(shí)，σ = 345Mpa，泊松比μ = 0.3，密度P = 7850kg/m3。本發(fā)明根據(jù)隧道施工面的實(shí)際情況，在艙體殼板厚度的選取時(shí)，充分考慮了強(qiáng)度和穩(wěn)定性及使用要求，加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)主要考慮其剖面模數(shù)值與結(jié)構(gòu)承壓強(qiáng)度相匹配，同時(shí)加強(qiáng)筋具有一定的斷面面積。
[0037](b)艙體載荷計(jì)算處理步驟:
[0038]基于步驟(a)所獲得的艙體模型，同時(shí)結(jié)合預(yù)設(shè)的各種塌方荷載條件，相應(yīng)仿真計(jì)算出作用于艙體外表面區(qū)域的載荷，其中各種塌方荷載條件根據(jù)救生艙的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行設(shè)定;接著，將該載荷譬如采用單面多區(qū)域的加載方式模擬加載于所述艙體模型，并模擬計(jì)算得出反映該救生艙中梁柱和板殼在加載后的模擬結(jié)果(具體的由模擬軟件計(jì)算獲得)，主要包括艙體整體的強(qiáng)度、梁柱和板殼的最大變形擾度和變形量，其中:
[0039]當(dāng)艙體模型的整體強(qiáng)度超過設(shè)計(jì)的強(qiáng)度極限(根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)定)時(shí)，直接判定救生艙艙體破壞失效;而當(dāng)艙體模型中所述板殼的最大變形撓度>2%或變形量>20mm時(shí)，或者所述梁柱的最大變形撓度> I %或變形量> 1mm時(shí)，則判定救生艙艙體變形失效。
[0040](C)艙體沖擊強(qiáng)度校核處理步驟:
[0041]同樣將所述載荷譬如采用單面多區(qū)域的加載方式模擬加載于所述艙體模型的重點(diǎn)部位，模擬計(jì)算得出反映該救生艙中艙門、救生門和觀察窗這些重點(diǎn)部位在加載后的模擬結(jié)果，并相應(yīng)判定這些重點(diǎn)部位是否發(fā)生破壞失效。具體判定方式為判斷艙門、救生門和觀察窗這些重點(diǎn)部位各自的強(qiáng)度是否超過各自設(shè)計(jì)的強(qiáng)度極限，若超過直接判定這些部位破壞失效
[0042]本發(fā)明中在上述建模過程中，優(yōu)選將艙體主體結(jié)構(gòu)的實(shí)體梁柱設(shè)定為模型中的實(shí)體單元，將空心梁柱設(shè)定為模型中的殼單元，同時(shí)將板殼設(shè)定為模型中的殼單元，并且整體采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。具體的，所述實(shí)體單元的截面優(yōu)選設(shè)計(jì)為每邊網(wǎng)格多2排，所述殼單元的網(wǎng)格尺寸優(yōu)選設(shè)計(jì)為不小于其厚度的5倍，同時(shí)不大于其厚度的20倍。
[0043]進(jìn)一步的，對于步驟(a)而言，其建模過程優(yōu)選如下:
[0044]以救生艙艙體的寬度方向?yàn)閄軸、以救生艙艙體的高度方向?yàn)閅軸、以救生艙艙體的長度方向?yàn)閆軸，相應(yīng)建立XYZ三軸坐標(biāo)系;然后，在該坐標(biāo)系上依據(jù)所述救生艙的實(shí)際尺寸建立反映其整體結(jié)構(gòu)的艙體模型，并設(shè)立邊界條件，其根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定，譬如由于隧道救生艙置于隧道施工的掌子面后，用角鋼進(jìn)行固定，所以可根據(jù)隧道內(nèi)的實(shí)際情況，在艙體的底板面施加簡支邊界條件。
[0045]而對于步驟(b)和(C)而言，所述模擬結(jié)果的形式優(yōu)選為應(yīng)力云圖、應(yīng)變云圖和位移云圖。
[0046]作為另一個(gè)實(shí)施例，在步驟(C)之后，優(yōu)選還包括以下處理:
[0047](d)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度綜合評估步驟:
[0048]以艙體主體結(jié)構(gòu)中的實(shí)體梁柱的模擬結(jié)果為基準(zhǔn)，并結(jié)合步驟(b)和(C)中的判定結(jié)論，統(tǒng)計(jì)得出救生艙結(jié)構(gòu)損傷類型(如破壞失效、變形失效)及失效數(shù)量的結(jié)果。
[0049]由于載荷來源于隧道坍方，其主要包括均布靜載荷和局部沖擊載荷，因此本發(fā)明中的載荷主要包括均布靜載荷和沖擊載荷。下面分別以施加均布靜載荷和沖擊載荷為例，對艙體強(qiáng)度進(jìn)行有限元模擬，以獲得不同工況下救生艙艙體強(qiáng)度的模擬結(jié)果。
[0050]I)施加均布靜載荷
[0051 ]施加均布靜載荷時(shí)，分為三種工況，分別是豎向荷載、豎向荷載加一側(cè)水平荷載以及豎向荷載加兩側(cè)水平荷載，豎向載荷具體指在艙體頂部圓弧面施加均布力0.38MPa，水平折減系數(shù)為0.5。豎向荷載加一側(cè)水平荷載指在艙體頂部圓弧面施加均布力0.38MPa，艙體長度方向一側(cè)面施加0.19MPa均布力。豎向荷載加兩側(cè)水平荷載指在艙體頂部圓弧面施加均布力0.38MPa，艙體長度方向兩側(cè)面施加均布力0.19MPa。
[0052]1.1)工況1:豎向荷載
[0053]在艙體頂部圓弧面施加均布力為0.38MPa的豎向載荷，獲得模擬結(jié)果，艙體的最大應(yīng)變在頂板的中部為10.753mm，兩側(cè)板的最大應(yīng)變?yōu)?.98mm，整個(gè)模型的最大變形為10.753mm，變形量為艙體寬度的5.4%。。艙體頂板、側(cè)板和端面板的最大應(yīng)力為221.72MPa<[σ];加強(qiáng)筋的最大應(yīng)力為517.34MPa〈2o，艙體的最大應(yīng)力處在頂板T型鋼和側(cè)板T型鋼連接處，為665.16MPa。艙體殼體所產(chǎn)生的應(yīng)力基本在屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)，是安全的。T型鋼所產(chǎn)生的應(yīng)力有少量節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力比較集中，但不會造成殼體的破壞。故在此工況下，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均滿足要求。
[0054]1.2)工況2:豎向荷載加一側(cè)水平荷載
[0055]在艙體頂部圓弧面施加均布力0.38MPa，艙體長度方向一側(cè)面施加0.19MPa均布力，獲得模擬結(jié)果，工況2艙體的最大應(yīng)變在頂板的中部，為9.40mm，非承受載荷的側(cè)板的最大應(yīng)變?yōu)?.0893mm，承受載荷的側(cè)板的最大應(yīng)變?yōu)?.3127mm，端面板的最大應(yīng)變?yōu)?.045mm。整個(gè)模型的最大變形量為9.40mm，變形量為艙體寬度的4.7%。。工況2艙體頂板的最大應(yīng)力為145.46MPa〈[o];側(cè)板的最大應(yīng)力為218.19MPa〈[o];端面板的最大應(yīng)力為290.92MPa〈[σ]；加強(qiáng)筋的最大應(yīng)力為509.1lMPa<2o，艙體的最大應(yīng)力處在頂板T型鋼和側(cè)板T型鋼連接處，為654.57MPa。工況2艙體的殼體所產(chǎn)生的應(yīng)力均在屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)，均是安全的。有少量節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力比較集中，超過了屈服強(qiáng)度，但不會造成殼體的破壞。故在此工況下，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均滿足要求。
[0056]1.3)工況3:豎向荷載加兩側(cè)水平荷載
[0057]在艙體頂部圓弧面施加均布力0.38MPa，艙體長度方向兩側(cè)面施加均布力0.19MPa，獲得模擬結(jié)果。工況3艙體的最大應(yīng)變在兩側(cè)板的中部，為7.74mm，頂板的最大應(yīng)變?yōu)?.74mm，兩側(cè)板的最大應(yīng)變?yōu)?.44mm，端面板的最大應(yīng)變?yōu)?.72mm。整個(gè)模型的最大變形為7.74mm，變形量為艙體寬度的3.9%。。工況3艙體頂板的最大應(yīng)力為200.50MPa<[o]；側(cè)板的最大應(yīng)力為133.66MPa〈[o];端面板的最大應(yīng)力為66.832MPa〈[o];加強(qiáng)筋的最大應(yīng)力為534.66MPa〈o，艙體的最大應(yīng)力處在頂板T型鋼和側(cè)板T型鋼連接的應(yīng)力不連續(xù)處，為601.49MPa。工況3艙體的殼體所產(chǎn)生的應(yīng)力均在屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)，均是安全的。有少量節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力比較集中，超過了屈服強(qiáng)度，但不會造成殼體的破壞。故在此工況下，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均滿足要求。
[0058]通過對施加于艙體三種荷載(豎向荷載、豎向荷載加一側(cè)水平荷載及豎向荷載加兩側(cè)水平荷載)工況下艙體承受靜載荷的分析，艙體頂板、側(cè)板和端面板及縱、橫向加強(qiáng)筋所產(chǎn)生的最大應(yīng)力均在材料的屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)。艙體的最大變形為7.74mm，變形量為艙體寬度的3.9%。。艙體的最大應(yīng)變在兩側(cè)板的中部。艙體的最大應(yīng)力處在頂板T型鋼和側(cè)板T型鋼連接處。有少量節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，其名義應(yīng)力超過了材料屈服強(qiáng)度，但不會造成殼體的破壞。因此，艙體在三種荷載工況下，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均滿足要求。
[0059]2)施加均布靜載荷
[0060]沖擊載荷(集中力)具體為200KN(每平米200kN)，其作用在艙體的兩端或中間部位的I平米面積上(0.2MPa)，校核的目的是檢驗(yàn)艙體穩(wěn)定性和安全性。
[0061 ] 2.1)前端施加沖擊載荷的艙體強(qiáng)度校核
[0062]沖擊載荷為200KN，作用在艙體頂部前端部位I平米的面積上(0.2MPa);獲得模擬結(jié)果。在前端部沖擊載荷作用下，艙體頂板的最大應(yīng)力為32.987MPa〈[o];前端面板的最大應(yīng)力為39.584MPa〈[o];加強(qiáng)筋的最大應(yīng)力為52.779MPa〈[o]，艙體的最大應(yīng)力處在頂板T型鋼和側(cè)板T型鋼連接處，為59.38Mpa，艙體的最大位移為0.752mm。艙體的殼體及加強(qiáng)筋所產(chǎn)生的應(yīng)力均在屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)，滿足穩(wěn)定性和安全性要求。
[0063]2.2)后端施加沖擊載荷的艙體強(qiáng)度校核
[0064]沖擊載荷為200KN，作用在艙體頂部后端部位I平米的面積上(0.2MPa)，獲得模擬結(jié)果，在后端部沖擊載荷作用下，艙體頂板的最大應(yīng)力為30.48MPa〈[σ];后端面板的最大應(yīng)力為36.57610^〈[0];加強(qiáng)筋的最大應(yīng)力為42.67210^〈[0]，艙體的最大應(yīng)力處在頂板1'型鋼和側(cè)板T型鋼連接處，為54.864MPa。艙體的最大位移為0.65mm。艙體的殼體及加強(qiáng)筋所產(chǎn)生的應(yīng)力均在屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)，滿足穩(wěn)定性和安全性要求。
[0065]2.3)中間部位施加沖擊載荷的艙體強(qiáng)度校核
[0066]沖擊載荷為200KN，作用在艙體頂部中間部位I平米的面積上(0.2MPa)，以獲得模擬結(jié)果，在中部沖擊載荷作用下，艙體頂板的最大應(yīng)力為52.81MPa〈[o];加強(qiáng)筋的最大應(yīng)力為73.94MPa〈[o]，艙體的最大應(yīng)力處在頂板T型鋼和側(cè)板T型鋼連接處，為95.06MPa。艙體的最大位移為1.24_。艙體的殼體及加強(qiáng)筋所產(chǎn)生的應(yīng)力均在屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)，滿足穩(wěn)定性和安全性要求。
[0067]在艙體整體結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度、剛度要求后，采用同樣方法對救生艙重點(diǎn)部位，如門、觀察窗和其它可能影響艙體使用的特殊部位，做進(jìn)一步的強(qiáng)度校核。當(dāng)救生艙艙體某處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或剛度不滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，對該處結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對性的優(yōu)化和加強(qiáng)，例如增加厚度，增設(shè)加強(qiáng)筋等，以使救生艙艙體的強(qiáng)度和剛度滿足要求。
[0068]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種隧道施工救生艙艙體強(qiáng)度有限元模擬分析方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: (a)救生艙艙體建模步驟 選擇作為模擬分析對象的救生艙，并依據(jù)救生艙艙體的實(shí)際尺寸進(jìn)行建模，由此獲得同時(shí)包含有艙體主體結(jié)構(gòu)和重點(diǎn)部位在內(nèi)的艙體模型，其中所述主體結(jié)構(gòu)包括梁柱和板殼，所述重點(diǎn)部位包括艙門、救生門和觀察窗； (b)艙體載荷計(jì)算處理步驟 基于步驟(a)所獲得的艙體模型，同時(shí)結(jié)合預(yù)設(shè)的塌方荷載條件，相應(yīng)仿真計(jì)算出作用于艙體外表面區(qū)域的載荷;接著，將該載荷模擬加載于所述艙體模型，并模擬計(jì)算得出反映該救生艙中梁柱和板殼在加載后的模擬結(jié)果，其中: 當(dāng)艙體模型的整體強(qiáng)度超過設(shè)計(jì)的強(qiáng)度極限時(shí)，直接判定救生艙艙體破壞失效;而當(dāng)艙體模型中所述板殼的最大變形撓度> 2 %或變形量> 20mm時(shí)，或者所述梁柱的最大變形撓度> I %或變形量> 1mm時(shí)，判定救生艙艙體變形失效； (c)艙體沖擊強(qiáng)度校核處理步驟 同樣將所述載荷模擬加載于所述艙體模型的重點(diǎn)部位，模擬計(jì)算得出反映該救生艙中艙門、救生門和觀察窗這些重點(diǎn)部位在加載后的模擬結(jié)果，并相應(yīng)判定這些重點(diǎn)部位是否發(fā)生破壞失效。2.如權(quán)利要求1所述的一種隧道施工救生艙艙體強(qiáng)度有限元模擬分析方法，其特征在于，對于步驟(a)而言，其建模過程優(yōu)選如下: 以救生艙艙體的寬度方向?yàn)閄軸、以救生艙艙體的高度方向?yàn)閅軸、以救生艙艙體的長度方向?yàn)閆軸，相應(yīng)建立XYZ三軸坐標(biāo)系;然后，在該坐標(biāo)系上依據(jù)所述救生艙的實(shí)際尺寸建立反映其整體結(jié)構(gòu)的艙體模型，并設(shè)立邊界條件。3.如權(quán)利要求2所述的一種隧道施工救生艙艙體強(qiáng)度有限元模擬分析方法，其特征在于，在上述建模過程中，優(yōu)選將艙體主體結(jié)構(gòu)的實(shí)體梁柱設(shè)定為模型中的實(shí)體單元，將空心梁柱設(shè)定為模型中的殼單元，同時(shí)將板殼設(shè)定為模型中的殼單元，并且整體采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。4.如權(quán)利要求3所述的一種隧道施工救生艙艙體強(qiáng)度有限元模擬分析方法，其特征在于，所述實(shí)體單元的截面優(yōu)選設(shè)計(jì)為每邊網(wǎng)格多2排，所述殼單元的網(wǎng)格尺寸優(yōu)選設(shè)計(jì)為不小于其厚度的5倍，同時(shí)不大于其厚度的20倍。5.如權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的一種隧道施工救生艙艙體強(qiáng)度有限元模擬分析方法，其特征在于，對于步驟(b)和(C)而言，所述模擬結(jié)果的形式優(yōu)選為應(yīng)力云圖、應(yīng)變云圖和位移云圖。6.如權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng)所述的一種隧道施工救生艙艙體強(qiáng)度有限元模擬分析方法，其特征在于，在步驟(c)之后，優(yōu)選還包括以下處理: (d)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度綜合評估步驟: 以艙體主體結(jié)構(gòu)中的實(shí)體梁柱的模擬結(jié)果為基準(zhǔn)，并結(jié)合步驟(b)和(c)中的判定結(jié)論，統(tǒng)計(jì)得出救生艙結(jié)構(gòu)損傷類型及失效數(shù)量的結(jié)果。7.如權(quán)利要求1-6任意一項(xiàng)所述的一種隧道施工救生艙艙體強(qiáng)度有限元模擬分析方法，其特征在于，所述載荷優(yōu)選為均布靜載荷和沖擊載荷，并且其中該均布靜載荷包括豎向荷載、豎向荷載加一側(cè)水平荷載以及豎向荷載加兩側(cè)水平荷載。8.如權(quán)利要求7所述的一種隧道施工救生艙艙體強(qiáng)度有限元模擬分析方法，其特征在于，所述豎向荷載為在艙體頂部圓弧面施加均布力，具體為0.38MPa，所述一側(cè)水平荷載為在艙體長度方向一側(cè)面施加均布力，具體為0.19MPa，所述兩側(cè)水平荷載為在艙體長度方向兩側(cè)面施加均布力，具體為0.19Mpa;所述述沖擊載荷優(yōu)選為200KN，并作用在艙體的兩端或中間部位的I平米面積上。9.如權(quán)利要求1-8任意一項(xiàng)所述的一種隧道施工救生艙艙體強(qiáng)度有限元模擬分析方法，其特征在于，所述實(shí)體梁柱譬如為加強(qiáng)筋，其中該加強(qiáng)筋優(yōu)選采用如下方式布置于作為模擬分析對象的救生艙中:在所述艙體內(nèi)部的前后端面以水平和垂直的方式布置多根角鋼作為加強(qiáng)筋，在所述艙體內(nèi)部的左右側(cè)面水平均勻布置多根扁鋼作為加強(qiáng)筋，在所述艙體內(nèi)部的底面沿艙體長度方向均勻布置多根扁鋼作為加強(qiáng)筋，在所述艙體內(nèi)部的頂面沿艙體長度方向均勻布置多根T型鋼作為加強(qiáng)筋，在艙體內(nèi)部的縱向上還設(shè)置有多圈T型鋼作為加強(qiáng)筋，該多圈T型鋼沿所述艙體的長度方向均勻分布。10.如權(quán)利要求9所述的一種隧道施工救生艙艙體強(qiáng)度有限元模擬分析方法，其特征在于，對于作為模擬分析對象的隧道施工救生艙而言，其優(yōu)選包括箱體結(jié)構(gòu)的艙體、設(shè)置在該艙體前后端面的方形艙門、設(shè)置在該艙體左右側(cè)面的逃生門，以及設(shè)置在所述方形艙門中的觀察窗。
【文檔編號】G06F17/50GK106055782SQ201610365720
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月27日
【發(fā)明人】苗德海, 王春梅, 王偉, 邵鵬程, 韓向陽, 李鳴沖, 顏志偉, 謝俊
【申請人】中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司