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。

说明书

技术领域

本发明属于地下工程建设领域，更具体地，涉及一种隧道施工救生舱舱体强度有限元模拟分析方法。

背景技术

近年来软弱围岩隧道施工事故频发，造成设备、人员损失惨重，社会影响极大。根据灾后事故调查发现，70％的软弱围岩坍塌发生在掌子面后方，塌方发生后，掌子面人员被困，由于抢救不及时或塌方范围慢慢波及至掌子面，极易导致被困人员受伤或遇难，因此隧道施工救生舱有广泛的应用空间和市场价值。

隧道施工救生舱可在事故后为避难人员提供周期内基本的生命保障，作用极其重要，因此救生舱本身需具备一定的安全可靠性，可承受外界一定载荷冲力能力。但目前针对隧道施工救生舱的资料较少，更极少涉及到隧道施工救生舱强度的分析验证方法，缺乏应对隧道施工救生舱的设计制造指导和规范要求，不便于地下工程建设隧道施工救生系统的市场化推广，导致同系列产品的合格验证规范化研制周期较长。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种隧道施工救生舱舱体强度的有限元模拟分析方法，该方法可针对隧道施工救生舱的特殊结构进行有限元分析，结合救生舱的应用环境和结构特点进行详细建模，验证舱体在设定载荷冲击下的结构强度和刚度，便于设计人员根据分析验证数据对隧道施工救生舱进行优化设计和系列化产品推广，提高舱体结构的安全可靠性。

为实现上述目的，按照本发明，提供了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，所述重点部位包括舱门、救生门和观察窗；

(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；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％或变形量＞20mm时，或者所述梁柱的最大变形挠度＞1％或变形量＞10mm时，判定救生舱舱体变形失效；

(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。

作为进一步优选的，对于步骤(a)而言，其建模过程优选如下：

以救生舱舱体的宽度方向为X轴、以救生舱舱体的高度方向为Y轴、以救生舱舱体的长度方向为Z轴，相应建立XYZ三轴坐标系；然后，在该坐标系上依据所述救生舱的实际尺寸建立反映其整体结构的舱体模型，并设立边界条件。

作为进一步优选的，在上述建模过程中，优选将舱体主体结构的实体梁柱设定为模型中的实体单元，将空心梁柱设定为模型中的壳单元，同时将板壳设定为模型中的壳单元，并且整体采用结构化网格。

作为进一步优选的，所述实体单元的截面优选设计为每边网格≥2排，所述壳单元的网格尺寸优选设计为不小于其厚度的5倍，同时不大于其厚度的20倍。

作为进一步优选的，对于步骤(b)和(c)而言，所述模拟结果的形式优选为应力云图、应变云图和位移云图。

作为进一步优选的，在步骤(c)之后，优选还包括以下处理：

(d)结构强度综合评估步骤：

以舱体主体结构中的实体梁柱的模拟结果为基准，并结合步骤(b)和(c)中的判定结论，统计得出救生舱结构损伤类型及失效数量的结果。

作为进一步优选的，所述载荷优选为均布静载荷和冲击载荷，并且其中该均布静载荷包括竖向荷载、竖向荷载加一侧水平荷载以及竖向荷载加两侧水平荷载。

作为进一步优选的，所述竖向荷载为在舱体顶部圆弧面施加均布力，具体为0.38MPa，所述一侧水平荷载为在舱体长度方向一侧面施加均布力，具体为0.19MPa，所述两侧水平荷载为在舱体长度方向两侧面施加均布力，具体为0.19Mpa；所述述冲击载荷优选为200KN，并作用在舱体的两端或中间部位的1平米面积上。

作为进一步优选的，所述实体梁柱譬如为加强筋，其中该加强筋优选采用如下方式布置于作为模拟分析对象的救生舱中：在所述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，在所述舱体内部的左右侧面水平均匀布置多根扁钢作为加强筋，在所述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，在所述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还设置有多圈T型钢作为加强筋，该多圈T型钢沿所述舱体的长度方向均匀分布。

作为进一步优选的，对于作为模拟分析对象的隧道施工救生舱而言，其优选包括箱体结构的舱体、设置在该舱体前后端面的方形舱门、设置在该舱体左右侧面的逃生门，以及设置在所述方形舱门中的观察窗。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.本发明按照舱体的实际结构尺寸进行建模，获得救生舱舱体的整体结构模型，并通过数值模拟隧道内发生坍方时舱体所承受的载荷，将该载荷作为救生舱结构强度分析的载荷条件，计算确定整个舱体结构的强度、刚度和耐均布压力的能力，对救生舱舱体的强度、可靠性和抗冲击性能进行理论验证，可显著提高此类应用于隧道等地下工程建设救生舱结构设计合理性和可靠性，便于后期救生舱的规范化、模块化设计和生产制造，缩短产品设计周期和降低试验成本，验证方法简单有效，提高类似隧道施工救生舱系列产品的设计和检验效率，可为行业制定标准提供参考，实用性强。

2.本发明中施加均布静载荷时，分别考虑三种典型工况：竖向荷载工况、竖向荷载和一侧水平荷载工况、竖向荷载和两侧水平荷载工况下舱体承受静载荷的分析，载荷以均布力形式施加到舱体结构上，可获得准确的加载数据。

3.本发明分析验证了舱体在均布静载荷和冲击载荷各典型工况下的应力应变情况，详细校核各结构应力水平和分布区域和变形情况，可对结构强度或刚度不满足的部位结构进行针对性的优化和加强，保证舱体结构具备对应安全系数下的强度和刚度水平，为救生舱舱体的结构设计提供理论依据和参考。

附图说明

图1是本发明的有限元模拟分析方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的基本原理是在隧道施工救生舱基本框架结构确定的基础上，对救生舱结构进行三维实体建模，例如可采用CAD等各种常用的三维建模软件进行建模，以详细模拟救生舱舱体外围壁和内部框架骨材结构；根据隧道施工现场塌方的实际情况，分别考虑舱体在均布静载荷和冲击载荷各典型工况下的应力应变水平，获得救生舱舱体的强度结果，并可详细校核各结构应力水平和分布区域及变形情况，对结构强度或刚度不满足的部位的结构可进行针对性的优化和加强，使得救生舱舱体的强度和刚度满足设计要求。

本发明实施例提供的一种隧道施工救生舱舱体强度的有限元模拟分析方法，其主要包括如下步骤：

(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，可采用常用的建模软件进行建模，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，所述重点部位包括舱门、救生门和观察窗。

具体的，本发明作为模拟分析对象的救生舱其优选包括箱体结构的舱体、设置在该舱体前后端面的方形舱门、设置在该舱体左右侧面的逃生门，以及设置在所述方形舱门中的观察窗，所有舱门均为外开式，便于进舱人员开启。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，顶面为圆弧形(拱高0.25m)，耐冲击力更为突出。

所述实体梁柱譬如为加强筋，其中该加强筋优选采用如下方式布置于作为模拟分析对象的救生舱中：在所述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，在所述舱体内部的左右侧面水平均匀布置多根扁钢作为加强筋，具体的，例如可布置三根80mm宽6mm厚的扁钢，在所述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，具体的，譬如布置四根80mm宽6mm厚的扁钢，在所述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，具体譬如为四根，在舱体内部的纵向上还设置有多圈T型钢作为加强筋，具体譬如为8圈，该8圈T型钢沿所述舱体的长度方向均匀分布。具体的，所述T型钢的腹板高度譬如为80mm、厚度譬如为8mm，T型钢的翼板宽度譬如为80mm、厚度譬如为8mm。方形舱门尺寸为1400mm高×600mm宽×R100mm(四个角的倒角半径)，门板厚度8mm，开设在舱体左、右侧面的左、右舱门的尺寸800mm高×600mm宽×R1000mm(四个角的倒角半径)，门板厚度8mm。舱体的主要性能指标如下：弹性模量E＝1.96×10⁵MPa，屈服极限：在环境温度20℃时，σ＝345Mpa，泊松比μ＝0.3，密度ρ＝7850kg/m³。本发明根据隧道施工面的实际情况，在舱体壳板厚度的选取时，充分考虑了强度和稳定性及使用要求，加强筋的设计主要考虑其剖面模数值与结构承压强度相匹配，同时加强筋具有一定的断面面积。

(b)舱体载荷计算处理步骤：

基于步骤(a)所获得的舱体模型，同时结合预设的各种塌方荷载条件，相应仿真计算出作用于舱体外表面区域的载荷，其中各种塌方荷载条件根据救生舱的实际应用环境进行设定；接着，将该载荷譬如采用单面多区域的加载方式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(具体的由模拟软件计算获得)，主要包括舱体整体的强度、梁柱和板壳的最大变形扰度和变形量，其中：

当舱体模型的整体强度超过设计的强度极限(根据实际需要进行设定)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％或变形量＞20mm时，或者所述梁柱的最大变形挠度＞1％或变形量＞10mm时，则判定救生舱舱体变形失效。

(c)舱体冲击强度校核处理步骤：

同样将所述载荷譬如采用单面多区域的加载方式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。具体判定方式为判断舱门、救生门和观察窗这些重点部位各自的强度是否超过各自设计的强度极限，若超过直接判定这些部位破坏失效

本发明中在上述建模过程中，优选将舱体主体结构的实体梁柱设定为模型中的实体单元，将空心梁柱设定为模型中的壳单元，同时将板壳设定为模型中的壳单元，并且整体采用结构化网格。具体的，所述实体单元的截面优选设计为每边网格≥2排，所述壳单元的网格尺寸优选设计为不小于其厚度的5倍，同时不大于其厚度的20倍。

进一步的，对于步骤(a)而言，其建模过程优选如下：

以救生舱舱体的宽度方向为X轴、以救生舱舱体的高度方向为Y轴、以救生舱舱体的长度方向为Z轴，相应建立XYZ三轴坐标系；然后，在该坐标系上依据所述救生舱的实际尺寸建立反映其整体结构的舱体模型，并设立边界条件，其根据实际情况进行设定，譬如由于隧道救生舱置于隧道施工的掌子面后，用角钢进行固定，所以可根据隧道内的实际情况，在舱体的底板面施加简支边界条件。

而对于步骤(b)和(c)而言，所述模拟结果的形式优选为应力云图、应变云图和位移云图。

作为另一个实施例，在步骤(c)之后，优选还包括以下处理：

(d)结构强度综合评估步骤：

以舱体主体结构中的实体梁柱的模拟结果为基准，并结合步骤(b)和(c)中的判定结论，统计得出救生舱结构损伤类型(如破坏失效、变形失效)及失效数量的结果。

由于载荷来源于隧道坍方，其主要包括均布静载荷和局部冲击载荷，因此本发明中的载荷主要包括均布静载荷和冲击载荷。下面分别以施加均布静载荷和冲击载荷为例，对舱体强度进行有限元模拟，以获得不同工况下救生舱舱体强度的模拟结果。

1)施加均布静载荷

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，竖向载荷具体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。

1.1)工况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为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。舱体壳体所产生的应力基本在屈服强度范围内，是安全的。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)工况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，工况2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‰。工况2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。工况2舱体的壳体所产生的应力均在屈服强度范围内，均是安全的。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)工况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。工况3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‰。工况3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。工况3舱体的壳体所产生的应力均在屈服强度范围内，均是安全的。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。

通过对施加于舱体三种荷载(竖向荷载、竖向荷载加一侧水平荷载及竖向荷载加两侧水平荷载)工况下舱体承受静载荷的分析，舱体顶板、侧板和端面板及纵、横向加强筋所产生的最大应力均在材料的屈服强度范围内。舱体的最大变形为7.74mm，变形量为舱体宽度的3.9‰。舱体的最大应变在两侧板的中部。舱体的最大应力处在顶板T型钢和侧板T型钢连接处。有少量节点出现应力集中现象，其名义应力超过了材料屈服强度，但不会造成壳体的破坏。因此，舱体在三种荷载工况下，结构强度和刚度均满足要求。

2)施加均布静载荷

冲击载荷(集中力)具体为200KN(每平米200kN)，其作用在舱体的两端或中间部位的1平米面积上(0.2MPa)，校核的目的是检验舱体稳定性和安全性。

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(0.2MPa)；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(0.2MPa)，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(0.2MPa)，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。

在舱体整体结构满足强度、刚度要求后，采用同样方法对救生舱重点部位，如门、观察窗和其它可能影响舱体使用的特殊部位，做进一步的强度校核。当救生舱舱体某处结构强度或刚度不满足设计要求时，对该处结构进行针对性的优化和加强，例如增加厚度，增设加强筋等，以使救生舱舱体的强度和刚度满足要求。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。