[发明专利]一种隧道施工救生舱舱体强度有限元模拟分析方法

摘要

本发明属于隧道施工救援配套技术领域，并公开了一种隧道施工救生舱舱体强度的有限元模拟分析方法，其包括如下步骤：(a)依据救生舱舱体的实际尺寸进行建模，以获得同时包含有舱体主体结构和重点部位在内的舱体模型；(b)仿真计算出作用于舱体外表面区域的载荷，将载荷加载于舱体模型，并计算出反映救生舱中梁柱和板壳的模拟结果；(c)模拟计算得出反映该救生舱中舱门、救生门和观察窗的模拟结果，并相应判定重点部位是否发生破坏失效。本发明可实现不同工况下救生舱舱体强度的模拟与分析，具有实用性强、模拟结果可靠等优点。

主权项

1.一种隧道施工救生舱舱体强度有限元模拟分析方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(a)救生舱舱体建模步骤选择作为模拟分析对象的救生舱，并依据救生舱舱体的实际尺寸进行建模，由此获得同时包含有舱体主体结构和重点部位在内的舱体模型，其中所述主体结构包括梁柱和板壳，所述重点部位包括设置在舱体前后端面的方形舱门、设置在舱体左右侧面的逃生门，以及设置在方形舱门中的观察窗，所有舱门均为外开式，其中舱体材料为Q345R，舱体长宽高分别为4.5m×2.0m×1.83m，舱体顶面和底面钢板厚度为8mm，两侧面和端面钢板厚度为4mm，顶面为拱高0.25m的圆弧形；所述梁柱为加强筋，该加强筋采用如下方式布置于作为模拟分析对象的救生舱中：在舱体内部的前后端面以水平和垂直的方式布置多根角钢作为加强筋，在舱体内部的左右侧面水平均匀布置多根扁钢作为加强筋，在舱体内部的底面沿舱体长度方向均匀布置多根扁钢作为加强筋，在舱体内部的顶面沿舱体长度方向均匀布置多根T型钢作为加强筋，在舱体内部的纵向上设置多圈T型钢作为加强筋，该多圈T型钢沿舱体的长度方向均匀分布；所述扁钢宽度为80mm、厚度为6mm，T型钢的腹板高度为80mm、厚度为8mm，T型钢的翼板宽度为80mm、厚度为8mm；方形舱门尺寸为1400mm高×600mm宽，门板厚度8mm；开设在舱体左右侧面的左右逃生门的尺寸为800mm高×600mm宽，门板厚度8mm；舱体的弹性模量E＝1.96×10⁵MPa，在环境温度20℃时，σ＝345Mpa，泊松比μ＝0.3，密度ρ＝7850kg/m³；(b)舱体载荷计算处理步骤基于步骤(a)所获得的舱体模型，同时结合预设的塌方荷载条件，相应仿真计算出作用于舱体外表面区域的载荷，所述载荷为均布静载荷和冲击载荷；接着，将该载荷模拟加载于所述舱体模型，并模拟计算得出反映该救生舱中梁柱和板壳在加载后的模拟结果，其中：当舱体模型的整体强度超过设计的强度极限时，直接判定救生舱舱体破坏失效；而当舱体模型中所述板壳的最大变形挠度＞2％时，或者所述梁柱的最大变形挠度＞1％时，判定救生舱舱体变形失效；其中，施加均布静载荷时分为三种工况，分别是竖向荷载、竖向荷载加一侧水平荷载以及竖向荷载加两侧水平荷载，竖向载荷指在舱体顶部圆弧面施加均布力0.38MPa，水平折减系数为0.5；竖向荷载加一侧水平荷载指在舱体顶部圆弧面施加均布力0.38MPa，舱体长度方向一侧面施加0.19MPa均布力；竖向荷载加两侧水平荷载指在舱体顶部圆弧面施加均布力0.38MPa，舱体长度方向两侧面施加均布力0.19MPa，具体为：1.1)竖向荷载在舱体顶部圆弧面施加均布力为0.38MPa的竖向载荷，获得模拟结果：舱体的最大应变在顶板的中部10.753mm，两侧板的最大应变为5.98mm，整个模型的最大变形为10.753mm，变形量为舱体宽度的5.4‰，舱体顶板、侧板和端面板的最大应力为221.72MPa<[σ]，加强筋的最大应力为517.34MPa<2σ，舱体的最大应力处在顶板T型钢和侧板T型钢连接处，为665.16MPa；舱体的壳体所产生的应力在屈服强度范围内，T型钢所产生的应力有少量节点的应力比较集中，但不会造成壳体的破坏，故在此工况下，结构强度和刚度均满足要求；1.2)竖向荷载加一侧水平荷载在舱体顶部圆弧面施加均布力0.38MPa，舱体长度方向一侧面施加0.19MPa均布力，获得模拟结果：舱体的最大应变在顶板的中部为9.40mm，非承受载荷的侧板的最大应变为2.0893mm，承受载荷的侧板的最大应变为7.3127mm，端面板的最大应变为1.045mm；整个模型的最大变形量为9.40mm，变形量为舱体宽度的4.7‰；舱体顶板的最大应力为145.46MPa<[σ]，侧板的最大应力为218.19MPa<[σ]，端面板的最大应力为290.92MPa<[σ]，加强筋的最大应力为509.11MPa<2σ，舱体的最大应力处在顶板T型钢和侧板T型钢连接处为654.57MPa；舱体的壳体所产生的应力均在屈服强度范围内，有少量节点的应力比较集中超过了屈服强度，但不会造成壳体的破坏，故在此工况下，结构强度和刚度均满足要求；1.3)竖向荷载加两侧水平荷载在舱体顶部圆弧面施加均布力0.38MPa，舱体长度方向两侧面施加均布力0.19MPa，获得模拟结果：舱体的最大应变在两侧板的中部为7.74mm，顶板的最大应变为7.74mm，两侧板的最大应变为3.44mm，端面板的最大应变为1.72mm；整个模型的最大变形为7.74mm，变形量为舱体宽度的3.9‰；舱体顶板的最大应力为200.50MPa<[σ]，侧板的最大应力为133.66MPa<[σ]，端面板的最大应力为66.832MPa<[σ]，加强筋的最大应力为534.66MPa<σ，舱体的最大应力处在顶板T型钢和侧板T型钢连接的应力不连续处为601.49MPa；舱体的壳体所产生的应力均在屈服强度范围内，有少量节点的应力比较集中，超过了屈服强度，但不会造成壳体的破坏，故在此工况下结构强度和刚度均满足要求；所述冲击载荷为200KN，并作用在舱体的两端或中间部位的1平米面积上，具体为：2.1)前端施加冲击载荷的舱体强度校核冲击载荷为200KN，作用在舱体顶部前端部位1平米的面积上，获得模拟结果：在前端部冲击载荷作用下，舱体顶板的最大应力为32.987MPa<[σ]，前端面板的最大应力为39.584MPa<[σ]，加强筋的最大应力为52.779MPa<[σ]，舱体的最大应力处在顶板T型钢和侧板T型钢连接处为59.38Mpa，舱体的最大位移为0.752mm，舱体的壳体及加强筋所产生的应力均在屈服强度范围内，满足稳定性和安全性要求；2.2)后端施加冲击载荷的舱体强度校核冲击载荷为200KN，作用在舱体顶部后端部位1平米的面积上，获得模拟结果：在后端部冲击载荷作用下，舱体顶板的最大应力为30.48MPa<[σ]，后端面板的最大应力为36.576MPa<[σ]，加强筋的最大应力为42.672MPa<[σ]，舱体的最大应力处在顶板T型钢和侧板T型钢连接处为54.864MPa，舱体的最大位移为0.65mm，舱体的壳体及加强筋所产生的应力均在屈服强度范围内，满足稳定性和安全性要求；2.3)中间部位施加冲击载荷的舱体强度校核冲击载荷为200KN，作用在舱体顶部中间部位1平米的面积上，以获得模拟结果：在中部冲击载荷作用下，舱体顶板的最大应力为52.81MPa<[σ]，加强筋的最大应力为73.94MPa<[σ]，舱体的最大应力处在顶板T型钢和侧板T型钢连接处为95.06MPa，舱体的最大位移为1.24mm，舱体的壳体及加强筋所产生的应力均在屈服强度范围内，满足稳定性和安全性要求；(c)舱体冲击强度校核处理步骤同样将所述载荷模拟加载于所述舱体模型的重点部位，模拟计算得出反映该救生舱中舱门、救生门和观察窗这些重点部位在加载后的模拟结果，并相应判定这些重点部位是否发生破坏失效。