土壓平衡盾構機盾體輕量化研究

摘要：基于離散元和靜力學的土壓平衡盾構機盾體的仿真研究，結合現場工程水文地質參數，對比計算標準載荷下的盾體各部分的靜力學仿真結果，驗證仿真模型準確性。在此基礎上，對盾體非主要承載部件進行減重設計。通過仿真模型計算，對比分析優化后標準載荷下的盾體強度與硬度，確定最優輕量化設計方案，完成輕量化研究，提高設備設計研制水平。

關鍵詞：土壓平衡盾構機 盾體 輕量化 有限元

Research on the Lightweighting of the Shield Body of EPB Shield

LI Yang

Liaoning Railway Vocational and Technical College， Jinzhou， Liaonig Province， 121000 China

Abstract： Simulation study on the shield body of earth pressure balance（EPB） shield based on Discrete Element Method and Statics， combined with on-site hydrogeological parameters， compares and calculates the statics simulation results of each part of the shield body under standard load， and verifies the accuracy of the simulation model. On this basis， weight reduction design is carried out for the non-primary load-bearing parts of the shield. Through the simulation model calculation， the strength and hardness of the shield under the optimized standard load are compared and analyzed， the optimal lightweighting design scheme is determined， the lightweighting research is completed， and the level of equipment design and development is improved.

Key Words： EPB; Shield body; Lightweighting; Discrete Element Method

在地鐵、城市管廊等隧道建設工程中，盾構法施工因有占用地表面積相對明挖法等較小，機械自動化程度高，隧道成型效果好，對地表建筑影響小，施工效率高且工人工作環境良好等優點，得到全世界各地的廣泛使用。隨著我國基建大規模進行以及川藏鐵路等重大工程戰略的實施，軌道交通、公路、水利建設等工程將有大量增長，并且越來越多的工程首選盾構機來施工[1-3]。而伴隨著掘進機械的發展，越來越多的問題顯現出來。相關企業未掌握各個構件的安全系數的取值，因此設計時在國外機械產品的基礎上盲目提高安全系數，這將導致構件設計過于保守、自重過大，如9 m級盾構機前中盾，其四分塊時最重分塊可達到約100 t，增加了材料成本，同時提高了動力的需求，不但增加了制造成本，而且提高了能耗，增加了運行成本[4-5]。在此基礎上，出現了利用機械優化設計的方法來設計掘進機械的新思路，既可以考慮適用性，又滿足了穩定性、高效性、可靠性和輕量化等要求，可為快速高效地設計掘進機械提供理論依據，進而提高裝備的研制水平。

其中，輕量化是主要的方法之一。輕量化技術在車輛的設計與制造中得到廣泛應用，可以作為工程機械輕量化的參考。本文針對土壓平衡盾構機盾體，基于結構可靠性，在仿真軟件對盾構機盾體結構強度進行分析研究，在滿足施工工況的情況下進行輕量化[6-7]。

1 前盾有限元模型

1.1模型簡化

在確保關注部位有限元分析精度的前提下簡化結構的細節特征[8]。

1.2 單元選擇

前盾有限元模型主要采用殼單元類型。

1.3 材料參數

根據《低合金高強度結構鋼》（GB/T 1591—2018）設置Q345B材料參數。

2 輕量化設計與分析

2.1前盾原始模型分析

標準負載工況下，前盾的Mises應力如圖1所示，最大應力出現在人倉側板，大小為279.8 MPa，各個部位的應力均小于許用應力。

前盾模型的位移云圖如圖2所示，最大位移為1.358 mm，發生于前盾中部法蘭處，小于允許變形值。

2.2前盾結構輕量化

正常工作狀態下，前盾整體應力較小，存在優化空間來減輕前盾的質量。前盾結構為鋼結構焊接件，因此以結構的厚度作為優化變量。

對前盾模型進行有限元分析，可得：影響前盾整體的應力和變形的主要因素是人倉側板1、人倉側板2的輕量化，相關因素是前盾外筒、前盾筋板4、前盾筋板5的輕量化。

2.3輕量化方案

對于主要因素限制輕量化數值大小，相關因素適當取較大輕量化值，得到前盾的兩組輕量化方案如表2所示。

2.4前盾輕量化模型分析結果

方案一的前盾模型，標準負載工況下，前盾的Mises應力如圖3所示，最大應力大小為274.5 MPa，各個部位的應力均小于許用應力。

方案一前盾結構的位移云圖如圖4所示，最大位移為1.431 mm，小于允許變形值。

方案二的前盾模型，標準負載工況下，前盾的Mises應力如圖5所示，最大應力大小為325 MPa，前盾人倉側板1的應力超過許用應力。

方案二前盾結構的位移云圖如圖6所示，最大位移為1.521 mm，發生于中部法蘭處，小于允許變形值。

提取前盾應力和位移并進行統計，得到原始模型、輕量化模型的應力和位移結果如表所3所示。

可知，常規工況下輕量化方案一滿足強度和剛度要求。

3結語

通過比較兩種輕量化方案與原始設計模型盾體應力分布與位移結果，可知在滿足安全性的情況下輕量化方案一有效降低了盾體重量，其中前盾質量減少4 385.699 kg，相較于原始模型減重9.30%。同時，由于結構優化，模型的最大應力由279.8 MPa減小到274.5 MPa。

參考文獻

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