頂管頂進(jìn)過程的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種頂管頂進(jìn)過程的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬方法，隧道工程管幕預(yù)加固的研究領(lǐng)域。本發(fā)明方法的操作步驟為：第一步確定直線、曲線頂管頂進(jìn)過程中頂管上的荷載分布和計(jì)算；第二步建立直、曲線鋼頂管多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型；第三步確定模型計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)；第四步計(jì)算模型和連接器單元運(yùn)動(dòng)約束屬性的確定；第五步進(jìn)行直線頂管多體模型分析；第六步進(jìn)行直線頂管轉(zhuǎn)為曲線頂管多體模型分析；第七步曲線頂管多體系統(tǒng)動(dòng)學(xué)模型頂管頂進(jìn)力預(yù)計(jì)計(jì)算。
【專利說明】
頂管頂進(jìn)過程的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及隧道工程管幕預(yù)加固的研究領(lǐng)域，特別設(shè)及一種頂管頂進(jìn)過程的多體 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 頂管法是一種非開挖技術(shù)，主要用于地下管道的鋪設(shè)，頂進(jìn)管道時(shí)借助主頂油缸 的頂推力，在長度較大時(shí)也可借助中繼間來傳遞頂推力，把頂管掘機(jī)從始發(fā)工作井頂?shù)浇?收井內(nèi)并吊起，在此過程中頂管掘進(jìn)后的管道直接鋪設(shè)在始發(fā)井與接受井之間的±層中。 1896年美國北太平洋鐵路鋪設(shè)工程中第一次使用頂管施工技術(shù)，并取得滿意的效果。頂管 施工技術(shù)在我國最早開始使用是在1953年的北京，經(jīng)過多年的發(fā)展，頂管技術(shù)在我國已得 到大量地實(shí)際工程應(yīng)用，且保持著高速的增長勢頭，無論在技術(shù)上、頂管設(shè)備還是施工工藝 上取得了很大的進(jìn)步，在某些方面甚至已達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種頂管頂進(jìn)過程的多 體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬方法，通過該方法探討頂管頂進(jìn)時(shí)管節(jié)之間的力學(xué)行為，提出了基 于多體模型預(yù)測頂力的新方法，對頂進(jìn)力與摩擦力和迎面阻力的關(guān)系進(jìn)行討論。
[0004] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用W下技術(shù)方案：
[0005] 本發(fā)明提供了一種頂管頂進(jìn)過程的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬方法，包括下述步 驟：
[0006] S1、確定直線、曲線頂管頂進(jìn)過程中頂管上的荷載分布并計(jì)算荷載；
[0007] S2、建立直、曲線鋼頂管多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，介紹多體動(dòng)力學(xué)基本理論，了解動(dòng) 力學(xué)普遍方程、廣義速度公式、動(dòng)力學(xué)控制方程和多體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)控制方程；
[000引S3、確定計(jì)算模型和連接器單元運(yùn)動(dòng)約束屬性，操作Abaqus使用兩節(jié)點(diǎn)連接單元 在系統(tǒng)各部分之間建立聯(lián)系，并通過定義連接屬性來描述各部分之間的相對運(yùn)動(dòng)約束關(guān) 系；
[0009] S4、確定模型計(jì)算物理力學(xué)參數(shù);假定地層荷載、摩擦阻力、管端正面阻力都是均 勻分布的，假定鋼材為理想彈塑性鋼材，管節(jié)模型取兩節(jié)，通過連續(xù)單元連接兩管節(jié)；
[0010] S5、進(jìn)行直線頂管多體模型分析，鋼管采用殼單元，選用S4R類型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；
[0011] S6、進(jìn)行直線頂管轉(zhuǎn)變?yōu)榍€頂管多體模型分析，模擬中采用多節(jié)管道，曲線管道 鋼管通過接頭連接而成；
[0012] S7、曲線頂管多體系統(tǒng)動(dòng)學(xué)模型頂管頂進(jìn)力預(yù)計(jì)計(jì)算，鋼管采用殼單元，選用S4R 類型單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
[0013] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟S1中，確定直線、曲線頂管頂進(jìn)過程中頂管上的荷載分 布并計(jì)算荷載具體為：
[0014] 確定頂管上的±壓力，分別采用±柱理論、普氏理論和太沙基理論進(jìn)行分析，與實(shí) 驗(yàn)對比確定采用太沙基理論；
[0015] 確定頂進(jìn)過程中的單位面積摩擦阻力，摩擦阻力受±的性質(zhì)、管道的材料、潤滑漿 液的配合比、管-潤滑漿液-±立者的接觸狀態(tài)的影響；
[0016] 確定頂進(jìn)時(shí)的頂力，頂力由管周摩擦阻力和管端正面阻力的大小決定。
[0017] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟S2中，動(dòng)力學(xué)普遍方程為：
[001 引
[0019]其中，q為廣義坐標(biāo)向量;T為系統(tǒng)動(dòng)能;Q為廣義力；
[0020] 系統(tǒng)動(dòng)能T由廣義速度表示為：
[0021]
[0022] 其中，q為廣義速度向量;Μ為質(zhì)量矩陣；
[0023] 物體的動(dòng)力學(xué)控制方程為：
[0024]
[0025] 其中J為廣義加速度向量;Μ為質(zhì)量矩陣;Κ為剛度矩陣;化主動(dòng)力對應(yīng)的廣義力;Qv 為速度的二次項(xiàng)有關(guān)的廣義力；
[0026] 多體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)控制方程為：
[0027]
[0028] 其相應(yīng)的約束方程為：
[00 巧]C(q，t)=0
[0030] 式中，λ為拉格朗日乘子列陣;C為約束矩陣;礙為約束的雅克比轉(zhuǎn)置矩陣。
[0031] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟S3具體為：
[0032] S31、在PART、ASSEMBLY或INTERACTION功能模塊中，定義連接單元和約束所要用到 的參考點(diǎn)和基準(zhǔn)坐標(biāo)系；
[0033] S32、在INTERACTION模塊中，設(shè)置連接單元、連接屬性和約束；
[0034] S33、在STEP模塊中，設(shè)置單元的歷史變量輸出；如果模型中出現(xiàn)較大的位移或轉(zhuǎn) 動(dòng)，應(yīng)將幾何非線性參數(shù)NLGE0M設(shè)置為ON;
[0035] S34、在LOAD模塊中，定義邊界條件和載荷，W及連接單元的邊界條件和載荷；
[0036] S35、在VISUALIZATION模塊中，查看連接單元的歷史變量輸出、控制連接單元的顯 示方式。
[0037] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟S5中，直線頂管采用Slide-Plane和旋轉(zhuǎn)連接屬性 化rdan;計(jì)算出每增加一個(gè)管節(jié)推力值增加為一個(gè)定值，主要原因是摩擦力的影響;在直線 頂管頂進(jìn)過程中管節(jié)與管節(jié)之間會出現(xiàn)一定的相對轉(zhuǎn)動(dòng)，且相對轉(zhuǎn)角處于動(dòng)態(tài)變化的過 程;管節(jié)之間連接時(shí)允許一定的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，可W減少管節(jié)之間的轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩。
[0038] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟S6中，還包括確定連接屬性的步驟，兩管節(jié)之間采用四 個(gè)連接單元對稱分布在管周，曲線內(nèi)側(cè)連接單元為平移連接屬性Join和旋轉(zhuǎn)連接屬性 Cardan,其余連接單元為平移連接屬性Slot和旋轉(zhuǎn)連接屬性化rdan;頂管直線轉(zhuǎn)變?yōu)榍€ 的過程中，隨著頂進(jìn)距離的增加，管節(jié)之間的夾角在增大，且呈現(xiàn)出線性關(guān)系。
[0039] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟S7中，連接屬性采用平移連接屬性化in和旋轉(zhuǎn)連接屬 性Revolute;由于摩擦力的影響，每增加一節(jié)管節(jié)，推力值增加為一個(gè)定值，且與直線頂管 增加值相近;管節(jié)之間的相對轉(zhuǎn)角在頂進(jìn)時(shí)表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)變化，但相對轉(zhuǎn)動(dòng)角都非常小，比直 線頂管小很多；管道在曲線頂進(jìn)過程中，為保持管節(jié)軌跡為曲線，管節(jié)之間會產(chǎn)生水平力， 且呈現(xiàn)出水平力兩頭大中間小的規(guī)律;在長距離頂管中，單位面積摩擦阻力是影響頂力大 小的主要因素。
[0040] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：
[0041] 1、本發(fā)明可計(jì)算出頂管頂進(jìn)的總頂力，為頂進(jìn)設(shè)備的選購提供依據(jù)。
[0042] 2、本發(fā)明可計(jì)算出各管節(jié)之間的頂進(jìn)力和相對角度，為管節(jié)的頂進(jìn)提供可靠度， 避免管節(jié)頂進(jìn)過程中出現(xiàn)偏差而影響施工。
【附圖說明】
[0043] 圖1為本發(fā)明頂管施工過程中受力模型圖；
[0044] 圖2(a)、圖2(b)分別為本發(fā)明直線頂管進(jìn)受力、管節(jié)斷面受力圖；
[0045] 圖3(a)、圖3(b)分別為本發(fā)明曲線頂管進(jìn)受力、管節(jié)斷面受力圖；
[0046] 圖4為本發(fā)明直線鋼頂管多體動(dòng)力學(xué)模型；
[0047] 圖5為本發(fā)明曲線鋼頂管多體動(dòng)力學(xué)模型；
[0048] 圖6為本發(fā)明連接器單元位置示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0049] 下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限 于此。
[0050] 實(shí)施例
[0051] 本實(shí)例選取港珠澳大橋珠海段拱北暗挖隧道，全長255m，全線穿越珠海進(jìn)入澳口 的通關(guān)口岸拱北口岸和茂盛圍軍事管理區(qū)等重要區(qū)域，沿線地面建筑多，地下管線及鄰近 粧基礎(chǔ)密集W及地質(zhì)情況復(fù)雜。拱北暗挖隧道管幕工程由36根外徑1620mm鋼管組成，每根 管道有64節(jié)管節(jié)，每節(jié)鋼管長4m，管節(jié)之間采用F型承插口連接。管道的壁厚W整個(gè)管幕的 中板為界，中板上部管道的壁厚為20mm，共17根，下部管道的壁厚為24mm，共19根。本隧道管 道采用頂管法，頂管頂進(jìn)過程的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬方法的操作步驟如下：
[0052] 第一步，W港珠澳大橋拱北暗挖隧道29#管為研究對象，確定直線，曲線頂管頂進(jìn) 過程中頂管上的荷載分布和計(jì)算;確定管道上的±壓力、頂進(jìn)過程中的單位面積摩擦阻力 和頂進(jìn)時(shí)的頂力?？刹榭锤綀D1的頂管施工過程中受力模型圖、附圖2(a)、圖2(b)的直線頂 管荷載示意圖和附圖3(a)、圖3(b)的曲線頂管荷載示意圖。
[0053] 表1 ±體材料物理力學(xué)參數(shù)表
[0化4]
[0055] 1)確定管端正面阻力：
[0056] Pf = Pw+Ps+P
[0化7] 式中Pf為管端正面阻力，Pa;
[0化引 Pw為地下水壓力，Pa;
[0059] ?3為±體壓力，Pa;
[0060] P為常數(shù)，一般取20~30kPa。
[0061] 2)確定管道上的垂直±壓力：
[0062]
[0063] 其中，Nz為垂直±壓力，k化；
[0064] ko為朗肯主動(dòng)±壓力系數(shù)，&〇 =化η:(45|，-口/引；
[00化]C為±體粘聚力，k化；
[0066] 131為±體破壞線寬度的一半，m;
[0067] 丫為管道上覆±重度，kN/m3;
[006引巧為±體內(nèi)摩擦角，％
[0069] Η 為拱高，m;
[0070] B為拱跨的一半，m。
[0071 ] 3)確定管周法向±壓力
[0072]管道上部法向±壓力取管道頂部的垂直±壓力Nz，管道底部的法向±壓力是在管 道頂部法向±壓力的基礎(chǔ)上加上管道自重為：
[007；3] Nz2 = Nz1+G，其中，G 為管道自重，kg;
[0074] 管道左側(cè)法向±壓力為:Nxi = koNzi，其中，ko為水平側(cè)壓力系數(shù)；
[0075] 管道右側(cè)法向±壓力為:Nx2 = koNzi，其中，ko為水平側(cè)壓力系數(shù)。
[0076] 在多體模型分析中為簡化計(jì)算模型，可將管道頂部、底部、兩側(cè)法向±壓力的平均 值作為管周法向±壓力加載到多體模型中，管周法向±壓力可取為：
[0077] N=(Nz1+Nz2+Nxi+Nx2)/4
[0078] 4)確定頂進(jìn)過程中單位面積摩擦阻力
[0079] F = f · N · A=M · A；
[0080]
[0081 ] 其中，F(xiàn)為單位長度摩擦阻力，kN;
[0082] f為±與管壁摩擦系數(shù)；
[0083] N為單位面積管道上的法向±壓力，kN;
[0084] A為管道外表面的面積，m2;
[0085] Μ為單位面積摩擦阻力，kN/m2，M=f · N。
[0086] 5)確定頂進(jìn)時(shí)的頂力
[0087] P=F · L+Pf
[008引其中，P為頂力，kN;
[0089] F為單位面積摩擦阻力，kN/m;
[0090] L為頂進(jìn)距離，m;
[0091] Pf為管端正面阻力，KN。
[0092] W上公式，對于沒有施工現(xiàn)場監(jiān)測的情況下比較適用，有現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)，可W根 據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)確定各種荷載。
[0093] 第二步，建立直、曲線鋼頂管多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型（如圖4、圖5所示），介紹多體動(dòng) 力學(xué)基本理論，了解動(dòng)力學(xué)普遍方程、廣義速度公式、動(dòng)力學(xué)控制方程和多體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué) 控制方程。
[0094] 動(dòng)力學(xué)普遍方程為：
[0095]
[0096] 其中，q為廣義坐標(biāo)向量；
[0097] T為系統(tǒng)動(dòng)能；
[0098] Q為廣義力。
[0099] 系統(tǒng)動(dòng)能T由廣義速度表示為：
[0100]
[0101] 其中，q為廣義速度向量；
[0102] Μ為質(zhì)量矩陣。
[0103] 物體的動(dòng)力學(xué)控制方程為：
[0104]
[01化]其中，f為廣義加速度向量；
[0106] Μ為質(zhì)量矩陣；
[0107] Κ為剛度矩陣；
[010引化主動(dòng)力對應(yīng)的廣義力；
[0109] Qv為速度的二次項(xiàng)有關(guān)的廣義力。
[0110] 多體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)控制方程為：
[0111]
[0112] 其相應(yīng)的約束方程為：
[0113] C(q,t) =0
[0114]式中，λ為拉格朗日乘子列陣；
[011引C為約束矩陣；
[0116] Cf為約束的雅克比轉(zhuǎn)置矩陣。
[0117] 第Ξ步，確定計(jì)算模型和連接器單元運(yùn)動(dòng)約束屬性，操作Abaqus使用兩節(jié)點(diǎn)連接 單元在系統(tǒng)各部分之間建立聯(lián)系，并通過定義連接屬性來描述各部分之間的相對運(yùn)動(dòng)約束 關(guān)系。其基本分析步驟為：
[0118] (1)在PART、ASSEMBLY或INTERACTION功能模塊中，定義連接單元和約束所要用到 的參考點(diǎn)和基準(zhǔn)坐標(biāo)系；
[0119] (2)在INTERACTION模塊中，設(shè)置連接單元、連接屬性和約束；
[0120] (3)在STEP模塊中，設(shè)置單元的歷史變量輸出；如果模型中出現(xiàn)較大的位移或轉(zhuǎn) 動(dòng)，應(yīng)將幾何非線性參數(shù)NLGE0M設(shè)置為ON;
[0121] (4)在LOAD模塊中，定義邊界條件和載荷，W及連接單元的邊界條件和載荷；
[0122] (5)在VISUALIZATION模塊中，查看連接單元的歷史變量輸出、控制連接單元的顯 示方式。
[0123] 第四步，確定模型計(jì)算物理力學(xué)參數(shù);首先假定地層荷載、摩擦阻力、管端正面阻 力都是均勻分布的;假定鋼材為理想彈塑性鋼材，管節(jié)模型取兩節(jié)，通過連續(xù)單元連接兩管 節(jié)。模型主要取兩節(jié)管節(jié)，29#鋼管采用Q235,管節(jié)長度為4m，管節(jié)直徑為1.62m，管壁厚度為 20mm，通過連接單元連接兩管節(jié)，鋼管的彈性模量E = 210G化，管道的密度為p = 7850kg/m3， 泊松比V = 0.3，屈服強(qiáng)度為3.45 X 108Pa。
[0124] 第五步，進(jìn)行直線頂管多體模型分析，鋼管模擬中采用殼單元，選用S4R類型進(jìn)行 網(wǎng)格劃分，六節(jié)管節(jié)共劃分12792個(gè)單元。直線頂管施工頂進(jìn)中考慮限制兩管節(jié)之間管軸方 向的位移，因此本次直線頂管多體模擬中連接屬性采用平移連接屬性Slide-Plane和旋轉(zhuǎn) 連接屬性化rdan，該組合連接屬性中僅限制管軸方向的位移，可查閱附圖4直線頂管連接屬 性圖；計(jì)算出每增加一個(gè)管節(jié)推力值增加為34586N，主要原因是摩擦力的影響;在直線頂管 頂進(jìn)過程中管節(jié)與管節(jié)之間會出現(xiàn)一定的相對轉(zhuǎn)動(dòng)，且相對轉(zhuǎn)角處于動(dòng)態(tài)變化的過程，最 大轉(zhuǎn)動(dòng)角出現(xiàn)在管節(jié)3與管節(jié)4處，最大值為4.27 X 10-7度;管節(jié)之間連接時(shí)允許一定的轉(zhuǎn)動(dòng) 自由度，可W減少管節(jié)之間的轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩。
[0125] 第六步，進(jìn)行直線頂管轉(zhuǎn)變?yōu)榍€頂管多體模型分析，模擬中采用6節(jié)管道，曲線 管道鋼管通過F接頭連接而成;確定連接屬性，兩管節(jié)之間采用四個(gè)連接單元對稱分布在管 周，曲線內(nèi)側(cè)連接單元為平移連接屬性化in和旋轉(zhuǎn)連接屬性化rdan，其余Ξ個(gè)連接單元為 平移連接屬性Slot和旋轉(zhuǎn)連接屬性Cardan,可查閱附圖5直線頂管轉(zhuǎn)變?yōu)榍€頂管連接屬 性圖；頂管直線轉(zhuǎn)變?yōu)榍€的過程中，隨著頂進(jìn)距離的增加，管節(jié)之間的夾角在增大，且呈 現(xiàn)出線性關(guān)系。
[0126] 第屯步，曲線頂管多體系統(tǒng)動(dòng)學(xué)模型頂管頂進(jìn)力預(yù)計(jì)計(jì)算;鋼管采用殼單元，選用 S4R類型單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，六節(jié)管節(jié)共劃分12792個(gè)單元;連接屬性采用平移連接屬性 Join和旋轉(zhuǎn)連接屬性Re volute，該連接屬性僅在管軸方向有旋轉(zhuǎn)自由度。為了能更好地反 映鋼管頂進(jìn)過程中直線、曲線頂管在頂進(jìn)過程中的運(yùn)動(dòng)特性和受力特性，在建立鋼管頂進(jìn) 多體力學(xué)模型中選取的不同的連接器單元及運(yùn)動(dòng)約束關(guān)系來反映頂管接頭的受力和變形， 運(yùn)動(dòng)約束。直線、曲線頂管接頭連接器單元選擇如表2所示，其中向接頭單元的位置如圖6所 示。由于摩擦力的影響，每增加一節(jié)管節(jié)，推力值增加為34579N，且與直線頂管增加值相近； 管節(jié)之間的相對轉(zhuǎn)角在頂進(jìn)時(shí)表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)變化，但相對轉(zhuǎn)動(dòng)角都非常小，最大轉(zhuǎn)角為1.16 Χ10-5度，比直線頂管小很多;管道在曲線頂進(jìn)過程中，為保持管節(jié)軌跡為曲線，管節(jié)之間會 產(chǎn)生水平力，且呈現(xiàn)出水平力兩頭大中間小的規(guī)律;在長距離頂管中，單位面積摩擦阻力是 影響頂力大小的主要因素。
[0127]表2鋼管接頭連接器單元的運(yùn)動(dòng)約束屬性 [012 引
[0130]上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的 限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 頂管頂進(jìn)過程的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬方法，其特征在于，包括下述步驟： 51、 確定直線、曲線頂管頂進(jìn)過程中頂管上的荷載分布并計(jì)算荷載； 52、 建立直、曲線鋼頂管多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，介紹多體動(dòng)力學(xué)基本理論，了解動(dòng)力學(xué) 普遍方程、廣義速度公式、動(dòng)力學(xué)控制方程和多體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)控制方程； 53、 確定計(jì)算模型和連接器單元運(yùn)動(dòng)約束屬性，操作Abaqus使用兩節(jié)點(diǎn)連接單元在系 統(tǒng)各部分之間建立聯(lián)系，并通過定義連接屬性來描述各部分之間的相對運(yùn)動(dòng)約束關(guān)系； 54、 確定模型計(jì)算物理力學(xué)參數(shù);假定地層荷載、摩擦阻力、管端正面阻力都是均勻分 布的，假定鋼材為理想彈塑性鋼材，管節(jié)模型取兩節(jié)，通過連續(xù)單元連接兩管節(jié)； 55、 進(jìn)行直線頂管多體模型分析，鋼管采用殼單元，選用S4R類型進(jìn)行網(wǎng)格劃分； 56、 進(jìn)行直線頂管轉(zhuǎn)變?yōu)榍€頂管多體模型分析，模擬中采用多節(jié)管道，曲線管道鋼管 通過接頭連接而成； 57、 曲線頂管多體系統(tǒng)動(dòng)學(xué)模型頂管頂進(jìn)力預(yù)計(jì)計(jì)算，鋼管采用殼單元，選用S4R類型 單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的頂管頂進(jìn)過程的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬方法，其特征在于， 步驟S1中，確定直線、曲線頂管頂進(jìn)過程中頂管上的荷載分布并計(jì)算荷載具體為： 確定頂管上的土壓力，分別采用土柱理論、普氏理論和太沙基理論進(jìn)行分析，與實(shí)驗(yàn)對 比確定采用太沙基理論； 確定頂進(jìn)過程中的單位面積摩擦阻力，摩擦阻力受土的性質(zhì)、管道的材料、潤滑漿液的 配合比、管-潤滑漿液-土三者的接觸狀態(tài)的影響； 確定頂進(jìn)時(shí)的頂力，頂力由管周摩擦阻力和管端正面阻力的大小決定。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的頂管頂進(jìn)過程的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬方法，其特征在于， 步驟S2中，動(dòng)力學(xué)普遍方程為：其中，q為廣義坐標(biāo)向量;T為系統(tǒng)動(dòng)能;Q為廣義力； 系統(tǒng)動(dòng)能T由廣義速度表示為：其中，q為廣義速度向量;Μ為質(zhì)量矩陣； 物體的動(dòng)力學(xué)控制方程為：其中，#為廣義加速度向量;Μ為質(zhì)量矩陣;Κ為剛度矩陣;QF主動(dòng)力對應(yīng)的廣義力;QV為速 度的二次項(xiàng)有關(guān)的廣義力； 多體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)控制方程為：其相應(yīng)的約束方程為： C(q，t)=0 式中，λ為拉格朗日乘子列陣;C為約束矩陣;0為約束的雅克比轉(zhuǎn)置矩陣。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的頂管頂進(jìn)過程的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬方法，其特征在于， 步驟S3具體為： 531、 在PART、ASSEMBLY或INTERACTION功能模塊中，定義連接單元和約束所要用到的參 考點(diǎn)和基準(zhǔn)坐標(biāo)系； 532、 在INTERACTION模塊中，設(shè)置連接單元、連接屬性和約束； 533、 在STEP模塊中，設(shè)置單元的歷史變量輸出；如果模型中出現(xiàn)較大的位移或轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng) 將幾何非線性參數(shù)NLGE0M設(shè)置為ON; 534、 在LOAD模塊中，定義邊界條件和載荷，以及連接單元的邊界條件和載荷； 535、 在VISUALIZATION模塊中，查看連接單元的歷史變量輸出、控制連接單元的顯示方 式。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的頂管頂進(jìn)過程的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬方法，其特征在于， 步驟S5中，直線頂管采用Slide-Plane和旋轉(zhuǎn)連接屬性Cardan;計(jì)算出每增加一個(gè)管節(jié)推力 值增加為一個(gè)定值，主要原因是摩擦力的影響；在直線頂管頂進(jìn)過程中管節(jié)與管節(jié)之間會 出現(xiàn)一定的相對轉(zhuǎn)動(dòng)，且相對轉(zhuǎn)角處于動(dòng)態(tài)變化的過程;管節(jié)之間連接時(shí)允許一定的轉(zhuǎn)動(dòng) 自由度，可以減少管節(jié)之間的轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的頂管頂進(jìn)過程的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬方法，其特征在于， 步驟S6中，還包括確定連接屬性的步驟，兩管節(jié)之間采用四個(gè)連接單元對稱分布在管周，曲 線內(nèi)側(cè)連接單元為平移連接屬性Join和旋轉(zhuǎn)連接屬性Cardan，其余連接單元為平移連接屬 性Slot和旋轉(zhuǎn)連接屬性Cardan;頂管直線轉(zhuǎn)變?yōu)榍€的過程中，隨著頂進(jìn)距離的增加，管節(jié) 之間的夾角在增大，且呈現(xiàn)出線性關(guān)系。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的頂管頂進(jìn)過程的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬方法，其特征在于， 步驟S7中，連接屬性采用平移連接屬性Join和旋轉(zhuǎn)連接屬性Re volute;由于摩擦力的影響， 每增加一節(jié)管節(jié)，推力值增加為一個(gè)定值，且與直線頂管增加值相近;管節(jié)之間的相對轉(zhuǎn)角 在頂進(jìn)時(shí)表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)變化，但相對轉(zhuǎn)動(dòng)角都非常小，比直線頂管小很多;管道在曲線頂進(jìn)過 程中，為保持管節(jié)軌跡為曲線，管節(jié)之間會產(chǎn)生水平力，且呈現(xiàn)出水平力兩頭大中間小的規(guī) 律;在長距離頂管中，單位面積摩擦阻力是影響頂力大小的主要因素。
【文檔編號】F16L1/028GK105825027SQ201610192677
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月30日
【發(fā)明人】吉小明, 龍兵, 許江海
【申請人】廣東工業(yè)大學(xué)