向家坝钢模台车双曲模板anays模型分析及优化学位论文.doc

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1、学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密 ，在_年解密

2、后适用本授权书。2、不保密 。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 年 月 日 导师签名： 年 月 日 目录摘要3前言41 向家坝钢模台车双曲模板有限元分析选题背景51.1课题研究意义及目的51.2国内外研究现状及发展趋势51.3本课题主要研究内容62向家坝钢模台车双曲模板建模82.1有限元的基本思想82.2有限元的基本理论82.3钢模台车整体结构112.4模板结构122.5双曲模板的有限元模型133 钢模台车模板受力及分析153.1边界条件处理153.2载荷的分析和施加153.3计算结果分析293.4优化分析303.5小结384总结404.1结论404.2展望40致谢41参考文献42 向家

3、坝钢模台车双曲模板ANAYS模型分析及优化学生：姜雨指导老师：廖湘辉教授教学单位：机械与材料学院摘 要：本课题主要针对向家坝地下电厂弧形隧洞钢模台车的双曲模板进行有限元分析。该台车结构为空间双曲面，是世界上最大的弧形隧洞双面钢模台车。本文按照钢模台车混凝土浇筑顺序将钢模台车分为四个工况进行受力分析。利用ANSYS有限元分析软件建立了钢模台车的弧形模板有限元模型，对其刚度和强度进行了校核，在其结构基础上进行优化并对优化方案进行验证。关键词：弧形模板；钢模台车；有限元Finite element analysis on the arc steel models which is used in X

4、iangjiaba steel trolley based on ANSYSStudent:Jiang YuInstructor:Liao XianghuiCollege of Mechanical &Material Engineering of China Three Gorgers UniversityAbstract: This paper mainly for the hyperboloid template finite element model ,and calculates the stress and deformation of the structure which i

5、s used in steel trolley of Xiangjiaba based on ANSYS software. The structure is double surface space ,which is the worlds largest steel arch tunnel sided trolley. The stress of the steel mold trolley was divided into four word condition of the steel mold trolley in every work conditions according to

6、 the concrete placing subsequence ,and the load condition of the steel mold trolley in every work conditions analyzed .Using ANSYS finite element analysis software ,the finite element model is made . The result concludes that the structure meets the intensity and the stiffness. This paper further op

7、timizes the hyperboloid steel mold structure. This provides the optimization method is useful for the structural design.Keywords：arc steel mold, steel mold trolley, Finite element method前言水电工程的隧洞工程施工中，经常采用针梁钢模台车进行隧洞混凝土衬砌，钢模台车具有浇注速度快，质量高，操作简易，使用安全，减少对洞内其他施工作业得干扰等优点，因此钢模台车成为水电工程常用的施工设备。虽然钢模台车至今为止得到了广泛

8、的应用，但是在设计和使用中存在一个普遍的现象，就是对钢模台车的结构受力分析和计算很少而且很粗略；在对不同的断面尺寸和结构类型的钢模台车进行设计的时候，常常采用比较法设计。由于对模板台车在混凝土浇筑过程中各部分的受力状况不了解，无法对其各个部分及整体的强度、刚度进行分析计算，从而使模板台车在设计上存在一些不合理的地方，造成台车在衬砌使用中或整体、或局部的强度刚度不足，有时甚至于影响施工进度和隧道衬砌质量，给公司和施工方造成经济损失1-6。向家坝地下电厂引水隧洞钢模台车是世界最大的弧形隧洞双面钢模台车，其针梁中心线承圆弧形状。钢模台车横向剖面内径为7.2米；纵向剖面为半径36米的环形弯管，其圆心角

9、为55。因为过水，对流道形体要求高，牵引天锚不能太大，钢模台车重量不能太重，在牵引装置的作用下，模板在轨道上滑动，混凝土浇筑施工使用过程中门架承结构载荷和混凝土浇筑载荷，弧形模板承受着浇筑时的混凝土压力，随着浇筑时段的变化，弧形模板的受力位置大小都发生变化，故其受力复杂，因此钢模台车的设计计算显得尤为重要。针对台车的强度、刚度和制造成本进行有限元分析，以确定是否满足隧洞混凝土施工质量。钢模台车是一种大型非标机械设备，其主体结构是板梁结合的钢结构，由于在施工使用中其模板受力较复杂，采用传统设计方法很难对模板的强度、刚度进行分析计算，致使产品在设计上存在一些不合理的地方。应用大型通用有限元分析软件

10、对该台车的模板进行结构静力计算分析，建立较完善的分析计算模型，计算出钢模台车模板在使用过程中的应力应变值，可为模板台车的结构优化设计提供理论参考7-11。本文的结构分析是应用通用有限元分析软件ANSYS进行的。本计算模型根据台车的结构和实际安装形式、施工过程结构变化情况，以及混凝土砂浆浇注的施工步骤，并参考诸多国内外资料的基础上，反复完善后得到的。1 向家坝钢模台车双曲模板有限元分析选题背景1.1 课题研究目的及意义向家坝地下电厂引水隧洞钢模台车是世界最大的弧形隧洞双面钢模台车，其针梁中心线承圆弧形状。钢模台车横向剖面内径为7.2米；纵向剖面为半径36米的环形弯管，其圆心角为55。向家坝地下电

11、厂引水隧洞上弯段属高速高压水流区，处于水流急剧转折处，要求上弯段过流面必须平整圆滑过渡，具有较好的抗冲耐磨性能。因为过水，对流道形体要求高，牵引天锚不能太大，钢模台车重量不能太重，在牵引装置的作用下，模板在轨道上滑动，混凝土浇筑施工使用过程中门架承结构载荷和混凝土浇筑载荷，弧形模板承受着浇筑时的混凝土压力，随着浇筑时段的变化，弧形模板的受力位置大小都发生变化，故其受力复杂，因此钢模台车的设计计算显得尤为重要。根据学习的专业知识，掌握钢模台车的模板设计技巧，确定针梁钢模台车弧形模板的设计参数，对隧洞混凝土衬砌技术有一定的认知。运用ANSYS有限元分析软件对模板进行建模，然后对其进行力学性能分析，

12、并根据其分析结果对其进行优化。达到掌握ANSYS有限元分析软件的目的，并展望钢模台车的发展趋势。1.2 国内外研究现状及发展趋势1.2.1 钢模台车现状向家坝地下引水隧洞钢模台车为空间双曲结构，是世界上最大的弧形隧洞双面钢模台车。1.2.1.1 台车一般结构针梁钢模台车主要由钢模 、门形架 、针梁 、主千斤顶及其底座 、台车自行机构 、液压系统 、浮力台车 7 个部分组成。1.2.1.2 钢模台车的先进性(1) 钢模结构稳定：由运输台车将定作好的圆形钢模安装在浇筑的衬砌段内，撤出台车后，靠钢模的自重和拱型支撑，组合成的圆型钢模受力情况好，钢模稳定性强。(2) 隧洞初砌混凝土质量好：由于弧形钢模

13、整体性好，稳定性高，不易产生变形。模板刚度大，表面光洁，对混凝土浇筑质量的控制有了基本的保证，所以在施工过程中浇筑出来的混凝土衬砌断面规则、标准、光滑、整齐。121.2.1.3 存在的问题：由于其为非标准机械，需有针对性的设计，设计计算较为困难。1.2.2 钢模钢模是台车的工作装置，其外表质量和外形尺寸精度直接决定混凝土衬切的质量，同时，又是加工难度最大的部件，制定了合理的加工、焊接工艺，设计并加工专用拼装焊接胎膜，以保证整体外形尺寸的准确度，尽量减少焊接变形，保证外表面光滑，无凹凸等缺陷。1.2.2.1钢模的结构形式钢模主要由三大件(底座、两块侧板、两块端板)和相关构件组成。钢模的设计主要是

14、围绕三大件的设计。从三大件的设计着手，需考虑它们的定位方式和开启方式等。端、侧板的开启方式有多种:有采用底座弧面少量变形方式开启的端板；有采用铰链翻合式开启的端、侧板；有采用滚轮式平移开启的侧板。也有采用铰链翻合式开启的端板和滚轮式平移开启的侧板相结合的方式。1.2.2.2 钢模的发展趋势经过数十年的隧道技术、施工工法研究和工程实践，隧道管片钢模正在向高精度、多品种、便于操作、劳动强度低、生产周期短的方向发展。可以从以下几方面研讨。 (1)为了提高隧道管片的拼环质量，管片的精度要求越来越高。目前，国家标准GB501572003地铁设计规范10.5.3条，规定了盾构法施工的隧道结构设计要求。这对

15、于钢模制作是一个新的挑战，必须进一步提高钢模设计和制作水平，才能满足管片的精度要求。(2)为了提高管片的外观质量，也有利于管片脱模，钢模型腔面的表面粗糙度要求越来越高。以往的钢模型腔面的表面粗糙度为Ra6.3，现在的要求为 Ra3.2以上，这就需要优化钢模的制作工艺和装备，才能制作出外型十分美观的钢模。(3)管片在钢模中的脱模是钢模设计和制造的关键技术，与产品的质量密切相关。底座弧板弹性变形脱模是一种新型的脱模形式。钢模的端板固定在底座的弧面上，在管片脱模时，端板是依靠弧形钢板的弹性变形来实现开启。因此，端板的脱模斜度取决于弧形钢板的变形量。(4)钢模的检测正在改变过去传统的检测方法，过去钢模

16、的弧长尺寸不能直接测量，只能由加工机床来保证。设计和制造高精度的样板，采用高精度的样板作为检测工具，进行钢模及管片的检测。采用样板法，可控制钢模制造过程中的误差，使装配尺寸精度容易控制，还能使模芯定位更为精确，提高了钢模的制造质量；在钢模检验及管片厂生产管片过程中，使检测变得更精确、直接和简易。(5)钢模的形式随着管片的形式变化，越来越多样化。如:管片的连接方式，过去一直采用直螺栓或弯螺栓。现在已经开始采用快速接头的方式，使拼装管片更方便，提高了工作效率。相应地在钢模上便可省去模芯和模芯棒,使钢模的设计和制造更简便13。1.3 本课题主要研究内容针对台车的强度、刚度和制造成本进行有限元分析，以

17、确定是否满足隧洞混凝土施工质量。本课题研究主要是针对钢模台车的弧形模板进行有限元分析，通过对其用材料、板厚、形状等参数优化，其结果指导实际设计。2 向家坝钢模台车双曲模板建模钢模台车的弧形模板是钢模台车的关键零部件。其弧形模板的变形将直接影响隧道施工的质量。但其受力较为复杂，用传统的人工手算较困难，应此建立良好的弧形模板模型利用先进的有限元分析软件ANSYS进行其强度和刚度分析。2.1 有限元的基本思想有限元的基本思想是将一个连续域离散化为有限个单元并通过有限个结点相连接的等效集合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同的形状，因此可以模型化集合形状复杂的求解域。有限元法

18、利用在每一个单元内假设的近似函数来分片的表示全求解域上待求的未知函数。单元内的近似函数由未知函数在单元的各个结点的数值和其插值函数来表达。这样一来，一个问题的有限元分析中，未知函数在各个节点上的数值就成为新的未知量，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解。显然，随着单元数目的增加，也即单元尺寸的缩小，或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进。如果单元是满足收敛要求的，近似解最后将收敛于精确解。2.2 有限元的基本理论有限元法是将结构细分成有限个单元，

19、每个单元以节点相连，两相邻单元共用节点的位移、斜率、曲率必须一致，而两节点之间的位移则同节点位移和变形函数相关。将载荷作用于节点，不论结构多么复杂，利用有限元法将其离散化，建立的方程式均为统一的矩阵形式。2.2.1有限元的解题过程有限元的解题的整个过程扼要概述如下：1、结构的离散化：把分析结构离散为子块是有限元法的第一步，这相当于用一个具有有限自由度数目的系统来代替具有无限自由度数目的系统。离散的实施基本上是靠工程判断力，在选择单元的形状、尺寸、数目和排列时必须谨慎，以便尽可能精确的模拟原物体，而又不增加求解的计算工作量。2、选择位移函数：从区域或结构中取出其中一个单元来研究。选择适当的插值模

20、式或位移模式近似地描述单元的位移场。由于在任意给定的载荷作用下，复杂结构的位移解不可能预先准确的知道，因此，通常把插值模式取为多项式形式。从计算的观点看多项式简单，而且满足一定的收敛要求。单位位移函数用多项式来近似后，问题就转化为如何求出结点位移。结点位移确定后，位移场也就确定了。3、单元刚度矩阵的建立：根据假设的位移模式，利用平衡条件或适当的变分原理可以推导出单元e的刚度矩阵【K】（e）和载荷向量p（e）。4、单钢投放形成全结构总体刚度矩阵：集合单元方程得到总的平衡方程组。连续体或结构是由许多个有限单元组合而成，因此，对整个连续体或结构进行有限元分析时，就需要进行组合。把各个单元刚度矩阵和载

21、荷向量按适当方式进行组合，从而建立如下形式的方程组：【K】=P。此方程式是结点上内力的外力的品横方程，称为总体刚度平衡方程式或简称总刚度方程。其中，【K】称为总刚度矩阵；是整体结构的结点位移；P是作用在整个结构的有限元结点上的力。5、全结构平衡方程求解：按问题的边界条件修改总的平衡方程，使结构不可刚体移动，对于线性问题可以很容易地从代数方程组中解出结点位移。6、算出单元的各种结果：可根据已知的结点位移利用固体力学或结构力学的有关方程算出单元的应变和应力14-16。2.2.2 有限元法的优越性与局限性有限元法能够得到迅速的发展与越来越广泛的应用，除高速电子计算机的出现与发展提供了充分有利的条件外

22、，还与有限元法所具有的优越性是分不开的。有限元的优越性主要有:1）在固体力学及其他连续体力学中，只有一些特殊类型的位移场和应力场才能求得微分方程式的解。对于多数复杂的实际结构得不到解。而有限元法对于完成这些复杂结构的分析是一种十分有效的数值方法。有限元法是利用离散化将无限自由度的连续体力学问题变为有限单元结点参数的计算，虽然它的解是近似的，但适当选择单元的形状与大小，可使近似解达到满意的精度。2）有限元法另一个优点在于引入边界条件的方法简单，边界条件不需要进入单元有限元的方程，而是求得整个集合体的代数方程后再引进。所以对内部和边界上的单元都采用相同的场变量函数，而且当边界条件改变时，场变量函数

23、不需要改变，这对编制通用化的程序带来了莫大的简化。3）有限元法不仅适应复杂的几何形状和边界条件，而且能处理各种复杂的材料性质问题，例如材料的各向异性，非线性，随时间或温度而变化的材料性质问题。另外它还可以解决非均质连续介质的问题。其应用范围极为广泛。有限元法通常采用矩阵表达形式，非常便于编制计算机程序，从而适应于电子计算机的工作。有限元法的局限性主要有:1）有限元法的应用与电子计算机紧密相关，它与计算机质量与速度取决于计算机的储存容量和速度，先进的计算机将有利于有限元的发展。2）有限元法作为一种计算方法己经达到了成熟的程度，但在具体应用中还有不小的差距，特别对于一些复杂的问题，如固体力学领域中

24、断裂形态，接触问题与其他领域中的瞬态问题的数值解，目前虽有进展，但还不能十分令人满意，需进一步研究。3）目前在许多有限元通用程序中，增加了前、后处理功能，网络能自动生成或分割，有利于更广泛的应用与推广。尽管结构的网络分割与准备输入数据的工作在某种程度上可以自动化，但还不能全靠计算机实现，因为在离散化过程中，还必须根据不同的要求来决策。在输入数据中，如有差错且未被发现，将会导致错误计算结果，而且往往较难发现，带来不少麻烦。对于输出数据的整理与判断也是很费时间与精力的。因此在这方面还必须进一步减轻手工的、费时的、烦琐的、易出错的工作17-19。2.2.3 ANSYS简介ANSYS软件是融结构、流体

25、、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发。它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等， 是现代产品设计中的高级CAD工具之一。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相

26、互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。ANSYS的主要技术特点有1、数据统一。ANSYS使用统一的数据库来存储模型数据及求解结果，实现前后处理，分析求解及多场分析的数据统一。2、强大的求解能力。ANSYS提供了数种求解器，用

27、户可以根据分析要求选择合适的求解器。3、强大的非线性分析功能。ANSYS具有强大的非线性分析功能，可进行几何非线性，材料非线性及状态非线性分析。4、智能网格划分。ANSYS具有智能网格划分功能，根据模型的特点自动生成有限元网格。5、强大的后处理模块。ANSYS后处理程序具有以下功能：A. 生成结构外形及有限元网格图。B. 生成变形后结构外形、网格图。C. 生成结构应力、应变、位移等参数的等值线图及彩色云图。D. 可形象显示结构各阶振型。E. 结构局部区域与单个子结构放大显示功能，使设计者对关心的部分结构放大观察，具有坐标旋转、三维消除隐藏线、隐藏面的功能。使图形清晰并可从不同角度观察。6、良好

28、的优化功能。7、良好的用户开发环境20-23。2.3 钢模台车整体结构边顶拱钢模台车由模板系统、门架、支撑系统、液压系统、行走装置、防倾覆装置等组成。模板系统由两侧边模和顶模组成，顶模与边模之间铰连接，两块顶模各约49，两边模各约82。钢模台车一次衬砌9.17，一个上弯段分六次衬砌完成，钢模台车结构见图2.1、2.2。1.顶模总成 2.门架 3.边模总成 4.模板防倾覆装置 5.千斤顶 7.脱模油缸 8.工作平台 9.液压系统 10.支撑丝杆 11.液压顶升油缸 12.端头模板 13.销轴 14.丝杆销图2.1钢模台车正视图6.销轴装置图2.2钢模台车侧视图2.4 模板结构三峡电站引水隧洞钢模

29、台车的模板主要是由钢板、角型钢、工字钢槽钢等通过焊接或者螺栓连接而成。从截面方向看，其整个模板圆周直径为14400mm,分为4个部分，弧度分别为：两块顶模分别为49，两块侧模分别82。如图2.3 图2.3 模板弧度划分示意图每块模板在轴向方向又分为4块，成弧形布置。其轴线半径，即隧道半径为36000mm。每块弧度为2.3度，一共9.17度，即每次施工浇注9.17度，分六次浇筑。2.5 双曲模板有限元模型先在ANSYS中用GUI操作建立台车模板的线框模型，其线框模型如图2.4。图2.4钢模台车模板的线框模型材料属性直接影响材料的受力性能。定义材料的属性步骤如下。选择菜单命令：Main Menu/

30、Preprocessor/Material Props/Material Models,弹出定义材料属性对话框，如图2.5所示：图2.5 材料定义对话框查阅机械设计手册，定义材料的弹性模量，泊松比。模板结构包括模板和模板支撑梁两部分。模板为壳模型，采用She元，模板上布置的加强筋采用Beam188单元；模板支持梁由型钢组成，主梁采用ll63壳单Beam188单元。两侧模与顶模之间处理为铰连接。模板有限元模型见图2.6、图2.7。图2.6 模板有限元模型图2.7 模板侧视图有限元模型由于本边顶拱钢模台车为空间双曲面结构，为确保模板加强筋和曲面模板之间有效连接，在几何建模过程中，要注意将模板以加强

31、筋的线为边分为若干份。本文在建模的过程采用了建线并在画网格的时候赋截面的方法。3 钢模台车模板受力计算及分析3.1 边界条件的处理有限元计算中，边界条件的处理是最为重要的环节，本文主要采用了以下边界条件的处理方式：模板支撑与门架相连：顶模支撑与侧模支撑分别与门架通过丝杆相连，相连的地方受力复杂，约束其X、Y、Z三个方向的约束UX、UY、UZ。如图3.1图3.1约束图3.2 载荷的分析和施加根据中华人名共和国国家标准钢筋混凝土工程施工及验收规范第2.2.3条规定计算模板及其支架时应考虑下列载荷：模板自重及其支架自重；新浇筑混凝土重量；钢筋重量；施工人员及施工设备的重量；振捣混凝土时产生的荷载；新

32、浇筑混凝土对模板侧面的压力；倾倒混凝土时产生的荷载。由于本钢模台车在施工的过程中施工人员及施工设备的重量相对比较小，可以忽略。而本文只需要分析钢模台车模板的受力情况，可将边顶拱钢模台车的施工过程分为如下四个工况：（1）工况1：钢模台车行走，此时钢模台车只受自身重力作用。（2）工况2：浇筑高度达4.6m，此时混凝土的浇注高度在钢模台车边模一半处。（3）工况3：浇注高度达9.2m，此时完成对钢模台车整个边模的混凝土浇注。（4）工况4：顶模浇注，此时混凝土的浇注完毕。3.2.1 工况1：钢模台车行走此时钢模台车可近似看做静力状态，钢模台车主要承受自身重力作用，即载荷组合为，此时只考虑水平状态时的受力

33、情况。对台车施加重力按如下步骤进行：Main Menu/Preprocesser/loads/Define loads/Structural/Inertia/Gravity/Global,定义Y-comp=9810，即钢模台车的重力加速度为，如图3.2。图3.2 Global对话框得到台车变形图，如图3.3，最大变形发生在第一榀顶模架斜拉杆上，为0.16mm。最大应力为5.35Mpa，发生在顶模板与侧模板的连接处，如图3.4。图3.3变形图（工况一）图3.4等效应力图（工况一）3.2.2 工况2：浇筑高度达4.6m此时钢模台车边模浇筑完成一半，台车除受自身重力以外，还受到新浇筑混凝土的压力作用

34、。混凝土压力由混凝土流体静压力、振捣力、混凝土入仓产生的冲击力组成，即此时的载荷组合为+。振捣混凝土产生的力和倾倒混凝土产生的力作用范围都在有效压头高度h之内；在混凝土没有发生初凝的情况下，钢模台车所受的混凝土流体静压力计算公式为： (1)其中，为钢筋混凝土比重，取=2 500 kg/m3；为混凝土灌注高度。24但是公式(1)完全把混凝土看作理想的液态，忽略其骨料的“自立性”和时间效应，计算结果往往偏大，不符合实际情况。文献25中关于混凝土的侧压力给出了另一个计算公式： (2)式中-缓凝剂调整系数、-坍落度调整系数、-混凝土初凝时间、-混凝土在高度方向上的浇筑速度。25 公式(2)则全面考虑了

35、混凝土的初凝时间、浇筑时间、甚至外加剂和坍落度对初凝时间的修正以及骨料的“自立性”，计算结果相对符合实际情况。当采用内部振捣时，新浇筑混凝土对模板的最大侧压力可按公式(1)和公式(2)计算，并取两式中的最小值。 = 所以。振捣力取，倾倒混凝土产生力取，作用在有效压头高度以内,其中。混凝土侧压力的分布图如图3.5、图3.6所示26-31，计算得作用高度。 图3.5 混凝土侧压力分布图 图3.6 叠加后压力分布图此时钢模台车要沿着上导洞完成衬砌需要进行六次衬砌，钢模台车一次衬砌9.17，因此要分析六种浇注位置A、B、C、D、E、F时的应力变形情况如图3.7。实际上计算起点和终点两种位置时的应力变形

36、情况即可满足需要，故以下讨论均只分析浇注位置F和A处的应力变形情况，这两处浇注位置分别对应钢模台车倾斜0和55。计算分析时的实际倾斜角度指的是台车的对称中心线到隧洞起点位置的夹角，即浇注位置F、A分别对应倾斜角度4.58和50.42。图3.7钢模台车浇筑工序图当台车处于浇注位置F处时，对其施加重力加速度仍按工况1步骤进行，只是此时X-comp=783、Y-comp=9778，783是重力加速度沿X方向的加速度分量，9778是重力加速度沿Y方向的加速度分量，如图3.8；同理，当台车处于浇注位置A处时，X-comp=7560、Y-comp=6250，如图3.9。图3.8 Global对话框（浇注位

37、置F）图3.9 Global对话框（浇注位置A）工况2时，给台车的加载区域施加大小为均布载荷，其方向如图3.10，台车的载荷图如图3.11。 图3.10 载荷示意图（工况2）图3.11 台车载荷图（工况二）钢模台车倾斜0时，钢模台车的变形图如图3.12，钢模台车的最大变形发生在边模下部的模板上，为3.015mm；其最大应力发生在边模下部的竖直方向的加强筋板上，最大应力为102.955Mpa，如图3.13。图3.12变形图（工况二 倾斜0）图13等效应力图（工况二 倾斜0）钢模台车倾斜55时，其最大变形和最大应力位置基本上与倾斜0时相同，只是其值稍微有所增大，这是由倾斜角度的增大造成的。此时钢模

38、台车的最大变形为3.019mm，最大应力为103.231Mpa，如图3.14、3.15。图3.14变形图（工况二 倾斜55）图3.15等效应力图（工况二 倾斜55）3.2.3 工况3：浇筑高度达9.2m此时钢模台车边模浇筑完成，先前浇筑的混凝土开始初凝，但由于其对台车的约束仍存在且在工况2下模板发生了变形，所以本工况下依然按照工况2下的载荷组合情况对整个边模加载。同样，工况3时也要分析钢模台车倾斜0和55的应力变形情况。在工况3的加载区域施加大小为的均布载荷，其方向如图3.16，台车的载荷图如图3.17。图3.16 载荷示意图（工况三）图3.17 台车载荷图（工况三）钢模台车倾斜0时，钢模台车

39、的变形图如图3.18，钢模台车的最大变形发生在边模下部的模板上，为3.446mm；其最大应力发生在边模下部的竖直加强筋板上，最大应力为104.744Mpa，如图3.19。图3.18 变形图（工况三 倾斜0）图3.19等效应力图（工况三 倾斜0）钢模台车倾斜55时，其最大变形发生在边模下部的模板上，最大变形为3.449mm；其最大应力发生在边模下部的竖直方向的加强筋板上，为105.014Mpa。如图3.20、3.21。图3.20 变形图（工况三 倾斜55）图3.21 等效应力图（工况三 倾斜55）3.2.4 工况4：顶模浇筑此时按照工况3的载荷组合情况对整个边模加载，顶模主要承受钢筋混凝土的重力

40、作用，即此时台车的载荷组合为+。由于本钢模台车混凝土浇筑厚度为1m，中部的混凝土压力载荷为，因此对顶模施加的载荷。在工况4下对钢模台车的边模施加大小为的均布载荷，同时对台车的顶模施加大小为的均布载荷，其载荷分布如图3.22、3.23。分析得到钢模台车倾斜0和55时的应力变形图。图3.22 载荷示意图（工况四）图3.23 台车载荷图（工况四）钢模台车倾斜0时，钢模台车的变形图如图3.24，钢模台车的最大变形发生在边模下部的模板上，为3.57mm；其最大应力发生在边模下部的竖直方向的加强筋板上，最大应力为105.186Mpa，如图3.25。图3.24 变形图（工况四 倾斜0）图3.25 等效应力图

41、（工况四 倾斜0）钢模台车倾斜55时，钢模台车的变形图如图3.26，钢模台车的最大变形发生在边模下部靠近边缘处的模板上，为3.573mm；其最大应力发生在边模下部的竖直方向的加强筋板上，最大应力为105.454Mpa，如图3.27。图3.26 变形图（工况四 倾斜55）图3.27 等效应力图（工况四 倾斜55）3.3 计算结果分析通过以上四个工况的模型计算，得到台车各工况下总体变形情况。从这些图可以直观地看到结构最大变形位置。另外通过选取主要筋板得到台车各部分最大等效应力表。表3.1 钢模台车各工况最大变形表工况最大变形mm允许最大变形mm结论倾斜0倾斜55工况一0.1610合格工况二3.01

42、53.01910合格工况三3.4463.44910合格工况四3.573.57310合格表3.2 钢模台车各工况最大Von Mises等效应力表 工况最大应力MPa发 生 位 置倾斜0倾斜55倾斜0倾斜55工况1（水平）5.345顶模板与侧模板的铰接处工况2102.955103.231边模下部的竖直方向的加强筋板边模下部的竖直方向的加强筋板工况3104.744105.014边模下部的竖直方向的加强筋板边模下部的竖直方向的加强筋板工况4105.186105.454边模下部的竖直方向的加强筋板边模下部的竖直方向的加强筋板侧模浇注混凝土时，在台车混凝土浇注部位出现较大的应力和变形。对各工况进行比较可以

43、看出特别在侧模板靠下部浇注时应力和变形相对要大。从工况4的计算结果可以看出，在浇注顶模模板时，模板的应力变形也达到较大的值，最大应力值105.454Mpa=150Mpa，满足强度要求，最大变形3.573mm10mm，满足设计要求，弧形模板的质量为40.8t。但是最大变形比允许最大变形小很多，此时的模型材料型号可以减小，避免浪费材料，节约制造成本。3.4 优化分析原来的方案：顶模板与侧模板的第二根立柱与第三根立柱之间有斜拉杆。如图3.28、图3.29。 图3.28 顶模板原图 图3.29 侧模板原图改进后的方案：去掉顶模板与侧模板第二根与第三根立柱之间的斜拉杆并减小顶模板与侧模板上横梁的材料型号

44、。如图3.30、图3.31。 图3.30 顶模板优化 图3.31 侧模板优化对优化方案仍按原方案相同的工况进行计算分析，于是得到改进后的钢模台车各种工况下的应力变形图，其具体分析结果如下：3.4.1 工况1：钢模台车行走钢模台车倾斜0时，钢模台车的变形图如图3.32，钢模台车的最大变形发生在第一榀顶模架斜拉杆上，为0.17mm；其最大应力发生在顶模板与侧模板的连接处，最大应力为5.446Mpa，如图3.33。图3.32 变形图（工况一）图3.33 等效应力图（工况一）3.4.2 工况2：浇注高度达4.6 m钢模台车倾斜0时，钢模台车的变形图如图3.34，钢模台车的最大变形发生在边模下部的模板上

45、，为3.48mm；其最大应力发生在边模下部的竖直方向的加强筋板上，最大应力为108.951Mpa，如图3.35。图3.34 变形图（工况二 倾斜0）图3.35 等效应力图（工况二 倾斜0）钢模台车倾斜55时，钢模台车的变形图如图3.36，钢模台车的最大变形发生在边模下部的模板上，为3.588mm；其最大应力发生在边模下部的竖直方向的加强筋板上，最大应力为109.499Mpa，如图3.37。图3.36 变形图（工况二 倾斜55）图3.37 等效应力图（工况二 倾斜55）3.4.3 工况3：浇注高度达9.2m钢模台车倾斜0时，钢模台车的变形图如图3.38，钢模台车的最大变形发生在边模下部的模板上，为4.341mm；其最大应力发生在边模靠近顶模板竖直方向的加