基于COSMOSWORKS的尾盾有限元分析

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1 概述盾构实际上是盾构机的简称，它是一个横断面外形与隧道横断面外形相同、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本，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素来确定。

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自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35m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1。

4 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。

2004年4月第21卷第2期沈阳航空工业学院学报Journal of Shenyang Institute of Aeronautical Engineering Apr.2004Vol.21 N o.2文章编号:10071385(2004)02004402基于Solid Works 和Cosmos 的模具结构三维设计及有限元分析包明宇 曹国强(沈阳航空工业学院机械与汽车学院,辽宁沈阳 110034)摘 要:复杂结构注塑模具的设计和强度、刚度分析是注塑行业的重要难题。

利用Solid Works 三维设计软件实现了注塑模具的三维实体建模,并运用COSM OS/Wo rks 软件对注塑模具的典型部件进行了有限元分析,验证设计的零件是否符合实际工作情况是实现注塑模具现代化设计的重要途径。

通过G earT r ax 2001Plus 、T oolbox 等外挂、内挂插件的使用,大大地简化了建模过程,克服了原有设计方法的不足,为解决较复杂的结构设计和理论分析问题提供了一种新的途径。

关键词:三维设计;有限元分析;注塑模具;建模中图分类号:T G24文献标识码:A注射模具的结构是由注射机的形式和制件的复杂程度等因素决定的。

凡是注射模具,均可分为动模和定模两大部分。

注射时动模与定模闭合构成型腔和浇注系统,开模时动模与定模分离,取出制件。

定模安装在注射机的固定板上,而动模则安装在注射机的移动模板上。

根据模具上各个部件所起的作用,可细分为成型零部件、浇注系统、导向部分、分型抽芯机构、分型抽芯机构、螺纹型芯和芯圈的退芯机构、冷却和加热机构等部分[1](如图1所示)。

图1 模具结构图示(1)凹模的设计成型塑件外表面的零件称为凹模或型腔。

凹模的结构形式可分为整体式,整体嵌入式,局部镶嵌式,组合式等。

本文采用组合式凹模设计方法。

设计时应尽量应下列要求:收稿日期:20031104作者简介:包明宇(1968),女,辽宁彰武人,讲师将型腔的内形加工变为镶件或组合件的外形加工。

1.软件形式：㈠. SolidWorks的内置形式：◆COSMOSXpress——只有对一些具有简单载荷和支撑类型的零件的静态分析。

㈡. SolidWorks的插件形式：◆COSMOSWorks Designer——对零件或装配体的静态分析。

◆COSMOSWorks Professional——对零件或装配体的静态、热传导、扭曲、频率、掉落测试、优化、疲劳分析。

◆COSMOSWorks Advanced Professional——在COSMOSWorks Professional的所有功能上增加了非线性和高级动力学分析。

㈢. 单独发行形式：◆COSMOS DesignSTAR——功能与COSMOSWorks Advanced Professional相同。

2.使用FEA的一般步骤：FEA=Finite Element Analysis——是一种工程数值分析工具，但不是唯一的数值分析工具！其它的数值分析工具还有：有限差分法、边界元法、有限体积法…①建立数学模型——有时，需要修改CAD几何模型以满足网格划分的需要，（即从CAD几何体→FEA几何体），共有下列三法：▲特征消隐：指合并和消除在分析中认为不重要的几何特征，如外圆角、圆边、标志等。

▲理想化：理想化是更具有积极意义的工作，如将一个薄壁模型用一个平面来代理（注：如果选中了“使用中面的壳网格”做为“网格类型”，COSMOSWorks会自动地创建曲面几何体）。

▲清除：因为用于划分网格的几何模型必须满足比实体模型更高的要求。

如模型中的细长面、多重实体、移动实体及其它质量问题会造成网格划分的困难甚至无法划分网格—这时我们可以使用CAD质量检查工具（即SW菜单: Tools→Check…）来检验问题所在，另外含有非常短的边或面、小的特征也必须清除掉（小特征是指其特征尺寸相对于整个模型尺寸非常小！但如果分析的目的是找出圆角附近的应力分布，那么此时非常小的内部圆角应该被保留）。

盾构机结构有限元分析参考规范一． 盾体的有限元分析（结构静力学分析）明确分析对象与分析类型。

盾体载荷分布形式：图1 盾体载荷分布1.1 中盾1.1.1 中盾模型建立采用solidworks 或者Proe 三维建模软件，建立起盾体的三维模型，如图2a 。

三维模型建立后单独备份有限元分析模型。

分析模型是设计模型的合理简化，是将设计模型上所开的坡口、设计圆角、倒角、影响不大的孔等进行处理，一方面可以降低计算量，提高计算效率，另一方面对坡口、焊脚的处理可以更为接近模型的实际状态。

同时，在对模型进行处理过程可以防止在后续分析过程中出现由于结构的拓扑退化现象而造成分析失败。

处理之后的模型结构如图2b 所示。

图2a 设计模型 图2b 分析模型图2 中盾设计模型与分析模型1.1.2中盾前处理与分网将简化处理后的模型转换为STEP（或者IGES、X_t）格式，并导入ANSYS workbench中，定义模型材料属性，弹性模量E=200Gpa,泊松比为0.3，密度为7.8e-6Kg/mm3。

对模型进一步切分与分网，如图3所示。

图3 中盾模型分网1.1.3边界条件施加（力的边界条件与位移边界条件）由图1所示的盾体载荷分布情况，分别计算垂直于侧向水压于土压，分别施加在盾体外壳表面。

对于施加在盾体侧向压力为梯度载荷，需要根据载荷梯度情况编程施加。

在整体坐标系的Y向施加重力加速度g以考虑盾体自身重力。

中盾与前方切口环采用螺栓连接，同时切口环连接处结构具有较好的刚度，因此在施加约束时将切口环与中盾连接表面视为固定约束。

图4 中盾模型边界条件施加1.1.4求解与后处理定义了边界条件后，在WB求解模块输入关心的应力应变以及位移参数，求解。

图5 中盾变形与等效应力云图图6 中盾变形与应力随圆周位置变化曲线1.2尾盾1.2.1尾盾前处理尾盾的分析过程与中盾类似，同样是对盾体进行三维建模，导入，前处理以及分网设定边界条件以致求解，后处理的过程。

1引言盾构机尾部在内部和四周岩土的综合作用力下,引起盾尾分块间微小的弧形误差和机械应力变形,造成盾尾呈椭圆形。

本文利用ANSYS 系统进行建模分析[1],结合南京某区间盾构实际案例,通过建立盾尾荷载力学模型[2],利用有限元建模和解析方法对盾尾立体结构进行仿真计算,剖析出案例工况条件下盾尾椭圆度等效应力云和总变形云,解读盾尾产生的屈服形变,解析盾壳最薄弱结构的强度及应力分布,从而对盾尾强度可靠性进行验算,避免盾尾形变量超过工艺要求[3]。

2尾盾载荷力学模型首先,对盾构机在岩土中的情况进行分析,厘清盾构机盾尾处受到的各种载荷状况,建立盾尾的荷载约束关系[4],并对力学载荷进行图形标识,如图1所示。

地基反力垂直荷载的反力自重反力地基反力水压土压水压土压水压土压σw 顶σV P v =σw 顶+σV G 0Eσw 中90°90°90°45°σW 顶—顶部水压;σy —顶部土压;σW 中—中部水压;σv —下部水压;E —中部土压;P v —垂直载荷;G 0—自重反力图1尾盾力学模型3绘制尾盾三维模型在SolidWorks 程序中建立盾尾三维模型。

建模时,为了尽量减少结构上微小材质和细小差异因素的干扰,对三维图形中进行如下简化:删除尾盾中所有小半径圆角、倒角、螺栓孔、【作者简介】陈明江（1977~），男（苗族），湖南靖州人，高级工程师，从事土压、泥水、TBM 各种盾构设备性能和技术研究。

盾尾椭圆形结构有限元分析及强度验算Finite Element Analysis and Strength Checking on the Rear Elliptic Part of TBM陈明江，陈昕琰（中交天和机械设备制造有限公司，南京211800）CHEN Ming-jiang,CHEN Xin-yan(Zhongjiao Tianhe Machinery Equipment Manufacturing Co.Ltd.,Nanjing 211800,China)【摘要】通过分析盾尾应力和形变云的方法，结合实际案例，利用ANSYS 系统建立盾尾荷载力学模型，采用有限元建模和解析方法对盾尾立体结构进行仿真计算，计算实际案例中各项荷载对盾尾结构的不同影响，推导出盾尾内外应力负载，对其伸缩形变做量化分析。

华睿在线技术专刊COSMOS 有限元分析理论基础Comos 系列软件是由 SRAC 公司推出的业界著名有限元分析系列软件,它以简单易用, 功能强大并且分析快速而准确而著称.利用 Comos 的软件功能,使工程师能在产品开发过 程中达到设计分析的能力.正是由于以上的原因,该软件也越来越被广大用户所欢迎,在整 个业界受到了越来越多的应用. 要掌握 Comos 系列软件相对于其他分析软件要简单的多,但是毕竟它也是属于有限元 的范畴, 这里我就一些有限元的基本理论作一个简单的概述, 以使大家对这块儿基本理论有 一个大概的了解,为有限元的分析打下良好的基础.一,什麽是 FEA?先来看看什么是 FEA/M.我们先看看他们的全称: FEA 是 Finite Element Analysis 英文的缩写,意思是有限单元分析; FEM 是 Finite Element Method 英文的缩写,意思是有限单元分方法; 所以,我们可以这样认为,FEA 是一种 将复杂的几何模型离散分解成许多简单的小块 的 分析方法或手段 学过理论力学的人都知道, 我们在现实世界中传统的方法就是利用解析方法来处理相关 问题,比如对于一个梁的受力情况分析.这种分析的方法在处理这些问题的特点显而易见, 首先要求该分析的人员要具备一定的理论知识, 对于这类哪怕是最简单的对象的分析处理也 比较复杂,复杂的分析量就会大幅度上升.看看下面的例子,对于这种钢结构的分析使用这 种方法也能找到解决的方法,但是我想大部分的人都会对它的大量计算感到为难.类似的问题在现实的例子中会有更加多的例子, 可见这样的问题我们使用传统的方法无疑 遇到了瓶颈,理论上方法可解,但是事实上无解.但是我们如果采用有限元的分析方法,他 们都是可以解决的.这也是之所以现今我们在讨论有限元方法的原因.二,FEA 在工业中的作用那 FEA 到底能给我们带来什么呢?…… 我们来看看它的一些作用: 1. CAD 和 FEA 的结合使得在实际工作中使用 FEA 方便简单 2. 在设计中使用 FEA 可以大大减少 (但不是替代) 建物理样机和试验 3. 通过使用 FEA, 设计可以更优,减少重量体积 并且提高可靠性 要认清 FEA 在工业中的作用,要注意 FEA 并不只强调自己 ,FEA 要在设计中发挥作用不 开物理样机的实验. 我们来看看下面的例子:--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1 ------wqh469 Wqh469@华睿在线技术专刊 物理实验 – 金相检查 – 各种仪器 (昂贵) 检测 – 重新设计重新试验FEA -了解到各种工况数据 -看到失效形式 -找到危险和没危险的零部件我们试了又试但仍 不知道它为什麽会 坏三,FEA 的一些术语解释我们接下来看看这个网格的具体含义: 一个离散化的模型,代表实际三维物体 我们把实际三维物体分割成一定大小的网格,这样就把一个连续 介质的物体分解成离散化的模型,网格的大小决定其相似程度,网格 越小,相似程度越高,离散化的模型就越接近真实物体,但有限元的 计算也会随之增加. 有限元模型由单元和节点构成 有限元的模型总是由单元与节点构成的.单元用于处理微观 的应力应变的问题,节点用于处理微观位移以及受力的问题 单元与节点在有限元中的处理 应力应变在每个单元中被计算 力和位移在每个节点被计算 单元通过节点相互作用 单元可分为两大类 连续介质(实体, 二维薄板) 结构 (梁, 壳) 上面也算是有限元分析方法的本质所 在了.系统先将实体有限元化,也就是 把实体分解成单元与节点,然后再通过 计算各个单元的应力及应变, 计算出节点 的位移以及受力, 再计算出整个实体的各 种分析结果.--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2 ------wqh469 Wqh469@华睿在线技术专刊四,在 FEA 中求解的方法(使用直接位移的方法) 位移被假设是未知的 每个节点有六个可能的位移自由度 (DOF), 即:ux, uy, uz, qx, qy, qz – 根据单元类型不同,每个节点的自由度情况也不同 在 2D 中的连续单元仅有 ux 和 uy 在 2D 中的结构单元仅有 ux, uy,和 qz 在 3D 中的连续单元仅有 ux, uy 和 uz 在 3D 中的结构单元有 所有六个自由度 所有存在的自由度都对应有相应的力和矩 结构分析基础 有限元用于机构分析的理论基础主要是下面三个方程式:平衡方程施加在一个单元上的外力之和为零 这里的这个方程很多人在学物理的时候都 接触过,也就是在平衡状态下面,一个物体 在各个方向上所受的力的总和为零.这里我们把 物体理解为单元.通过这个方程式我们可以列出 其力学方程式.变形协调方程单元节点位移和单元应变的关系 节点力和单元应力亦如此 这个方程式就是用来处理单元与节电之间 的关系的方程式.平衡方程式可以求解除单元 的应力,通过这个方程式我们求解除单元的应 变与单元节点的位移.同理,我们也可以单元 节点处的力的大小. {εi} = [B] {u}应力应变关系(虎克定律)又称为物理方程 定义应力 (s) 和应变 (e)关系 在该关系方程中 [C] 是一个 6X 6 的矩阵 {s} = [C][e}--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------3 ------wqh469 Wqh469@华睿在线技术专刊方程式说明看下图:100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 0.2σ= E εValid over the elastic rangeσ (ksi)五,FEA 中的边界条件Stress/Strain for Steel0.40.60.8ε (%)在有限元分析中的边界条件代表实际物理模型和它 周边物体之间的相互作用关系.分析整个系统在很多时 候既不实际也没必要,通过使用边界条件一个系统级的 分析, 可以简化成对一个零部件级的分析. 看看右边这个模型,要对其进行分析,除了我们前 面讲到的方法,其实还要知道它的边界条件.这里我们 可以把边界条件通俗的理解为这里面其中一个物体的可 能被定义方式,比如里面一跟轴的配合关系以及整个零 部件的可动性. 我们在有限元的时候要建立这样的概念, 就是要确定其自由度的受约束性.物体的自由度问题 自由物体有六个自由度( RIGID BODY MODES) , 一个 (RBM) 是一个可能的运动 ,存在有可能的运动 的方向不能有变形. 自由物体有三个移动自由度和三个转动自由度在 COSMOS 软件中定义物体边界条件的过程就是 定义其约束的过程.所以在分析一个物体之前,定义 其约束关系的步骤是必需的.定义的约束我们要遵循 以下的原则: 1.约束条件忠实地反映实际工况 2.刚体六个运动自由度必须被约束掉--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------4 ------wqh469 Wqh469@华睿在线技术专刊接下来我们来看看在 COSMOS 软件中常用 FEA 等效的约束种类: – 悬臂梁约束 悬臂梁约束 所有的移动和转动都被约束– 导槽约束 仅有一个移动自由度 导槽约束轮廓约束– 轮廓约束 所有的转动被约束仅允许一个 移动自由度--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------5 ------wqh469 Wqh469@华睿在线技术专刊– 铰链约束 所有的移动被约束仅允许一个转动自由度铰链约束– 球铰约束 所有移动被消除, 所有转动被允许球铰约束球支撑约束– 球支撑约束 垂直移动被消除 允许绕铅垂轴转动--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------6 ------wqh469 Wqh469@华睿在线技术专刊当然,我们在 COSMOS 的新版本里面还见到了一些新的约束方式,这里不再祥谈,上面的 这些是有限元里面常见的方式.六,FEA 中的载荷载荷是什么? 是物体所受外部条件的力的统称 施加在物体外表面的力 称为外力 – 如集中力和压力 施加在物体内部的力 称为体力 – 如重力,离心力,温度应力 有限元处理前给被分析的模型定义其载荷也是所需步骤, 我们往往会参照实际的情况给模型 定义一个接近实际情况的载荷.七,理解有限元分析的过程下面我们通过图形来讲解 COSMOS 软件分析的一般过程: 先看看下面有限元前处理的过程 我们首先利用建模软件产生零件模型(这里的工作可以由 SOLIDWORKS 软件来完成)---〉 然后系统开始划分单元----〉接下来建立单元刚度矩阵---〉再产生总体刚度矩阵---〉然后把 外部的约束定义到环境当中---〉 再把外部载荷定义到环境当中---〉 根据前面的条件建立系统 线性方程组---〉线性方程组求解产生几何模型 划分单元 产生单元刚度矩阵[B] 和几何形状有关, [C]和材料有关[ki] = [B]t[C][B] [K] {u} {f}产生总体刚度矩阵加约束 加载荷建立系统线性方程组 解线性方程组 {u}{f} = [K]{u} [K]-1 {f} = {u}上述就是传统意义上的有限元前处理.Cosmos 软件在这个过程中大部分都是自动完成 的,我们只是需要定义一些参数,比如网格的类型,大小等等,零件模型的约束以及零件的 载荷.但是熟悉上述过程有助于我们在分析中解决碰到的问题,直到它的运作过程,可以更 好的找出疑难问题的解决方法.下面看看有限元后处理的示意图: --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------7 ------wqh469 Wqh469@华睿在线技术专刊这里的过程也比较简单: 利用前面的方程式计算各个单元的应变—〉 计算各个单元的应力---〉获得每个单元的单元应变{εi} = [B] {u} {σi} = [C] {εi}计算单元应力显示结果图再进行总体计算 事实上,有限元分析的基础理论内容并不是 COSMOS 用户必须需要掌握的,哪怕是对 这些内容相当陌生的工程师一样能够利用 COSMOS 系列软件进行分析,我们在这里讨论这 些是满足那些深层次人员的需要. COSMOS 软件的特点很想使一台市场上的时尚数码相机, 不是摄影的专业人士能够利用它来进行清晰的"到此一游"型的照片,那些摄影的爱好者也 可以利用其强大的手动功能来拍摄出各种各样的艺术化的照片效果. 最后,我不得不说明的是,这篇文章是我仓促整理的结果,很多地方还没有经过十分严 格的取证,难免有一些错误的地方,在这里期待与大家一起共同交流提高.--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------8 ------wqh469 Wqh469@。