盾構機盾體外殼卷板過程的三維有限元仿真

童 彪，李 桐，王 媛，宋 黎

（中鐵科工集團軌道交通裝備有限公司，湖北 武漢 430223）

1 引言

盾構機在當今的軌道交通建設中運用廣泛。隨著需求量的不斷增大，國產化的需求越來越迫切。在盾體外殼制造中，卷板過程的控制對整個盾體外殼的質量起到決定性作用。本文在實踐經驗確定加工工藝的基礎上，運用大型有限元分析軟件DEFORM-3D 對水平下調式三輥卷板機卷板過程進行了有限元仿真模擬，了解在確定的工藝參數下盾體外殼的成形過程，并對該過程進行分析以及不斷修正工藝參數，使之達到理想的加工指標，縮短了試驗時間，節約了生產成本。

2 卷板機結構形式及滾彎過程簡介

卷板采用水平下調式三輥卷板機，其上輥可作升降運動，兩下輥可單獨或同時水平移動，如圖1 所示。

上輥為從動，兩個下輥的可調行程較大，在卷彎過程中，每個下輥輪流執行下輥與側輥的功能，即先后構成兩種非對稱式三輥卷板機，從而只需一次裝卸工件，即可完成包括前、后板端在內的全部卷彎工作，如圖2 所示。兩下輥可單獨調整的機型由于其中心距可調，因此擴大了機器的加工范圍。兩下輥同時水平移動的機型，兩下輥端分別安裝在同一機架上，卷板時水平分力可相互抵消，受力狀況好。卷板機水平下調式結構，整機重心低，卷板穩定性好，不僅適用于中小型卷板機，更適用于大型卷板機。另外由于倒頭側采用油缸下置式結構，卷板視野開闊，錐形工件可繞過倒頭軸承體，卷制錐形工件的錐度大，最大可達60°。

盾體外殼的卷板設備型號為W11S-125/200×3800，最大板寬3800，最小直徑3500。三輥卷板機上輥直徑1050mm，兩下輥直徑為515mm，兩下輥中心距為1150mm,所用的材料為Q345B,材料的幾何尺寸為10480×1683×60,材料的力學性能如下表所示。

表1 Q345B 材料力學性能

3 有限元仿真模擬

3.1 模型建立

卷板過程的有限元模擬，首先要對模擬對象進行建模，建立的模型與實際情況的符合程度直接影響到模擬結果的正確性。在DEFORM-3D 中的建模通常有兩種方式：一種是采用三維軟件進行建模然后導入，另一種是直接在DEFORM-3D 中進行建模。本文的建模方式采用第一種，運用PRO/E 軟件建立卷板機上、下輥的三維模型以及需要卷制的鋼板模型，如圖3 所示。

3.2 網格劃分及參數設置

對鋼板和輥子進行建模后導入DEFORM-3D軟件進行網格劃分，將輥子視為剛體，所以只用對鋼板進行網格劃分即可，如圖4 所示。劃分的單元數為200000。在卷板過程中，輥子和板料是接觸的，板子依靠與下輥的摩擦力來進行進給運動，摩擦力類型為剪切摩擦力，摩擦系數設為0.08，下輥轉速為0.2266rad/s（3.5m/min）。

4 結果分析與工藝改進

4.1 直邊問題

首次滾彎將下壓量設置為30mm，可以清晰地得到滾彎開始時模擬結果。板料存在直邊現象，這主要是因為變形抗力太大引起的。根據這一結果，為了保證卷板的良好效果，在實際工藝中采用接直頭的方式來解決直邊問題。同時，通過對不同下壓量模擬的結果進行分析，模擬的直邊在300mm～350mm 左右，根據板厚的不同總結出類似盾體盾殼的大型結構件卷板，接直頭的長度在300mm 較為合適，板厚過大時直頭的長度可以延長到500mm。

4.2 下壓量的估算

在沒有進行模擬的情況下，對卷板的控制一般都是遵循中心輥下壓—測量—下壓—再測量的原則，一直到卷出的板子復合既定尺寸為止，既增加了工作量，也讓卷板質量得不到保證。通過對不同下壓量的模擬，可減少下壓和測量的次數，提高卷板的工作效率。對于模擬的卷板尺寸，分別就9 個不同的下壓量進行模擬，并估算其半徑值，結果如表2 所示。

表2 下壓量試驗結果

經過實踐，下壓量在30mm～50mm 之間進行調整比較合適，卷出板的效率較之前的經驗法有所提高，大大提高了生產效率和質量，對實際中的工藝制定有一定的指導作用。

5 結論

對于尺寸較大的盾體外殼卷板工藝，實際操作中存在諸多問題，其質量和具體工藝參數不好把握。通過利用大型有限元分析軟件對卷板工藝進行模擬，可幫助制定卷板的工藝參數，減少試驗次數，提高生產效率，降低生產成本。

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