基于COSMOSWorks的尾盾有限元分析摘要本文模拟实际地质条件，确定该工况下，尾盾所受的载荷和约束。利用有限元软件COSMOSWorks对尾盾进行模型简化、约束、加载、网格划分和分析，得到了一系列的计算结果，对实验盾构机设计提供了理论依据。关键词盾构机；尾盾，COSMOSWorks；有限元分析中图分类号TU7文献标识码A文章编号1674-6708(2014)106-0137-021概述盾构实际上是盾构机的简称，它是一个横断而外形与隧道横断而外形相同、尺寸稍大，内藏挖土、排土机具,自身设有保护外壳的暗挖隧道的机械。尾盾是盾构的主要组成部分。尾盾的主要作用：在尾盾区域进行管片的安装和拼装工作，同时尾盾也起到支护围岩的作用；尾盾末端设有密封装置，以防止水、土及压注材料等物质从尾盾与衬砌间隙进入盾构内；尾盾注浆；尾盾注脂。在试验平台的研发中，采用COSMOSWorks对尾盾进行有限元分析。COSMOSWorks是一种基于有限元分析技术的设计分析软件，同时作为SolidWorks的插入式分析软件，更方便实体结构模型的建立。同时，提供了常用的单元库、材料模型库和求解器等，极大提高了产品的开发效率和质量。2尾盾结构特点尾盾厚度应尽量薄，可以减小地层与衬砌间形成的建筑空隙，从而减少注浆工作量和施工成木，对地层扰动范围也小有利于施工，但尾盾也需承担垂直和水平土压力、水压力、自重、上覆荷载等载荷力。所以其厚度应综合各因索来确定。本实验盾构机尾盾设计的特点是尾盾的厚度均匀统一。并将所有的在尾盾部位的管路都安装在尾盾的内侧。相对于其它将注浆管和油脂管内埋于尾盾壳中的设计，此试验盾构机的尾盾没有厚度变小的薄弱区域。3尾盾载荷3.1模拟加载情况为了模拟真实的口然状态下的土质性质，采用一个方形的模拟土箱，上端用加载油缸，给土体加压相当于模拟35in覆土厚度的土压力，土箱内的水被加压相当于模拟水深30m水压力，模拟的情况如图1所示。3・2尾盾载荷确定本试验盾构机尾盾基本参数如表lo4尾盾的有限元分析4.1尾盾的三维模型采用SolidWorks软件对尾盾进行实体建模。为了减少运算时间、提高结果精度，尾盾实体建模时，应该忽略那些影响很小的细微模型孔特征,交角等影响计算结果结构，只保留了尾盾壳、环筋板等主要模型特征，简化模型方便计算，也不至于影响计算的准确性。尾盾的几何结构及载荷的分布均属于对称，可利用尾盾模型的对称性和软件的针对对称性加载功能，简化建模的时间，以纵剖面为对称而建模。4.2载荷加载和约束根据前面所述的尾盾上半部分受到，下半部分受到。尾盾的侧樂受到一个梯形的加载方式，可以对这种加载方式采用三种简化加载方式：如果梯度较小，可取均布载荷；如果梯度适中，可取其中最大和最小的均值载荷；如果梯度较大，可取其中最大的载荷。本论文采用第三种情况加载载荷力，所以侧壁加载最大载荷。由于尾盾与中盾连接采用狡接油缸和螺栓把和实现的，当单独对尾盾进行受力分析时，可以简化为刚性连接，也就是采用固定方式约朿。又由于前面已经叙述采用1/2的尾盾模型，所以在尾盾模型的界面上采用对称方式来约束。4.3网格划分模型的形状既可以使用实体单元也可以使用壳单元，选择单元类型可以是四面体实体或三角形壳，这取决于分析的冃的。然而，通常情况下，儿何体的天然形状决定了所使用的单元类型。壳单元适合模拟薄壁结构，但难以描述较复杂的几何结构，若使用四面体实体单元也可以模拟薄壁结构，且适合于结构较为复杂的几何结构。本论文采用二阶实体四血体单元。4.4计算结果的分析尾盾主体材料为Q235D,材料参数如下:弹性模量E=2.lOellPa,泊松系数为0.28NA,密度为7800Kg/mm3o经过计算得到尾盾的应力，应力最人发生在尾盾底部环筋板，其值为,小于材料的屈服强度。尾盾的位移，其最大变形发生在尾盾的上部，其值为，满足变形要求。5结论尾盾的应力和位移可以发现，其应力值并不高，在许用应力范围内；其位移量也很小，满足尾盾刚度控制标准。综合考虑上述有限元分析结果,可知该试验盾构机尾盾的设计安全合理。参考文献[1]张风祥，傅德明，杨国祥，等•盾构隧道施工手册[M].北京：人民交通出版社，2005,5：228-230.[2]叶修梓，陈超祥.COSMOS基础教程：COSM...