TBM支撑机构与围岩接触可靠性分析

发布时间：2020-07-12 07:45

【摘要】：随着经济建设的发展,中国城市人口正在不断增加,地下交通运载工具成为缓解城市交通拥挤的重要手段。中国将大量建设地下工程以缓解各大城市交通拥挤问题。由于地下工程地质条件复杂,传统钻爆法施工已经无法快速有效的完成挖掘任务。因此,掘进装备的开发制造迫在眉睫。研究和生产全断面硬岩掘进机是中国地下工程施工领域的重要任务。而撑靴作为TBM支撑推进机构重要的组件,其安全可靠性直接影响着TBM在工作中的可靠性及施工工作人员的人身安全。在TBM掘进过程中撑靴会受到多种随机载荷的影响,撑靴的材料属性是存在不确定性的,这些随机因素的存在会不同程度的影响撑靴的可靠性。本文通过考虑撑靴的载荷和材料属性的随机性对撑靴可靠性的影响,采用蒙特卡罗随机有限元方法对撑靴进行可靠性分析及灵敏度分析。通过灵敏度分析得到各种参数对优化目标函数的不同影响程度。本文应用有限元软件ANSYS APDL构建撑靴-围岩系统摩擦接触参数化模型,基于概率有限元的蒙特卡洛法,通过可靠性分析模块Probabilistic Design System(PDS)对撑靴-围岩系统进行可靠性分析。分析了完全接触和不完全接触情况下的多种工况下的材料参数和载荷的等输入变量对撑靴-围岩系统可靠性的影响,并进行了灵敏度分析。同时得出了撑靴-围岩系统输出变量的样本历史曲线、柱状图和散点图,并把不同工况分析结果进行比较。研究结果表明:(1)通过对撑靴-围岩系统的可靠性分析可得出,在撑靴与围岩完全接触的工况下撑靴发生了塑性变形,但撑靴-围岩系统仍然处于安全状态,满足工作的安全要求,即在完全接触各工况下撑靴-围岩系统是安全可靠的。通过对结构可靠性分析时发现:在置信水平为0.95条件下,三种不同工况撑靴-围岩系统的失效概率都趋近于零。在考虑撑靴的材料、荷载参数随机变化的情况下,其强度需求也是符合的,撑靴-围岩系统在完全接触的三种不同工况是安全可靠的。(2)对相对危险的组合工况进行灵敏度分析发现,推进角度是影响撑靴应力极限状态方程最主要的因素,其次是屈服极限、围岩弹性模量、围岩泊松比。其他参数可认为是对撑靴等效应力影响不大的次要影响因素。相关系数依次为-0.218、0.170、0.074、0.108。推进角度对撑靴-围岩系统的灵敏度为负,这意味着推进角度的增加将使得撑靴-围岩系统的可靠度降低;反之推进角度的减小则可以使得撑靴-围岩系统的可靠度提升。而屈服极限对撑靴-围岩系统的灵敏度为正,意味着屈服极限的增加将使得撑靴-围岩系统的可靠度提升;反之屈服极限减小则可以使得撑靴-围岩系统的可靠度降低。在优化设计时可在保证撑靴工作能力和经济环保的条件下将推进角度适当缩小,并保证制作撑靴的钢材严格达到国家规范的要求。(3)通过对不完全接触各不同面积不同形式工况分析,可得出不完全接触对撑靴的等效应力影响不大。但对比各个工况,得出不论不完全接触的面积大小,1、2、7、8号位置处的未接触对撑靴-围岩系统的可靠性影响小。其余各工况组都有3号未接触面,对比发现当未接触发生在撑靴中部Z轴方向时对撑靴-围岩系统的可靠性影响相对较小,而未接触发生在撑靴外部Y轴方向时对撑靴-围岩系统的相对可靠性影响相对较大。这说明撑靴的不完全接触不仅仅与不完全接触的面积有关也与其不完全接触方式有很大关系。在工程实际中应该尽量避免撑靴出现这种对可靠性影响较大的形式。
【学位授予单位】：华东交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U455.3

【参考文献】