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[摘 要]以某隧道施工凿岩台车结构为研究对象，采用HyperMesh软件建立有限元模型，利用ANSYS软件进行静力学分析和模态分析，通过静力学分析得到了台车整体位移和应力分布情况，模态分析得到了台车前六阶固有频率及其振型，仿真结果可为凿岩台车结构的进一步优化和改进提供参考依据。
[关键词]隧道施工凿岩台车；结构；ANSYS；有限元分析
中图分类号：U455.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）38-0233-01
1 引言
隧道施工凿岩台车是一种对隧道开挖时应用的隧道施工机械，普遍采用钢材焊接而成，具有一定的形状、刚度和强度。现阶段我国对凿岩台车没有明确标准可供参考，凿岩台车的设计往往根据经验制作而成，可靠性得不到保证，时常会出现部件变形较大和焊接部位开裂等现象，对安全和工程进度造成了很大影响[1]。
由于隧道施工工况变化较大，不易采用解析法计算台车结构的应力、应变和位移。运用有限元法可对某个关键部件或整体结构进行强度、刚度和模态分析，对其计算结果的准确性具有一定的保证[2]。本文以某隧道施工凿岩台车为研究对象，运用HyperMesh软件建立有限元模型，采用ANSYS软件对其进行静力学分析和模态分析，为其结构进一步优化和改进设计提供依据。
2 有限元模型
2.1 有限元模型的建立
隧道施工凿岩台车的整体结构主要由门架结构、斜撑、下侧翼、上侧翼、行走机构等部件组成，考虑到行走机构对台车结构安全性影响较小，本文只对台车车架和工作平台进行建模。利用CATIA软件建立隧道施工凿岩台车的三维几何模型，导入HyperMesh中建立CAE分析的整体模型。台车主体主要由20a工字钢和5mm钢板焊接而成。因此，模型均采用Shell163号壳单元建模。焊接部位采用共用节点法进行模拟。最终建立的有限元模型包含240820个节点和236423个单元。
2.2 约束及载荷条件的施加
隧道施工凿岩台车行走机构与底部纵梁固定连接，行走机构与地面相接触。正常工作时对行走机构进行制动设置，台车与地面相对静止。有限元模型中，对与行走机构相连接的底部纵梁部位的6个自由度均设置为固定约束，即DOF值均设为0。
台车载荷主要包括施工人员、冲击钻、施工用水和其他施工设备重量，台车在工作时不同部位载荷变化较大。本文将台车分为9个工作区域，以台车最大工况受力进行加载。经估算，每个工作区域受力为4KN，受力以均布载荷形式进行加载。重力加速度值设为g=9.8。
3 静力学分析
结构静力学分析就是计算由载荷使某些结构和部件所产生的位移、应力和应变，但是其分析的适用范围不包括惯性载荷以及有阻尼的载荷[3]。结构静力学分析中的载荷和响应是假定成固定不变的，其中的载荷通常包括接触面较小的集中应力、体力性质的重力和惯性力、单位面积上的压力等。通过有限元静力分析结构的强度与刚度，得出结构整体应力分布情况以及变形范围。凿岩台车结构功能的实现依赖于各部件的正常工作。凿岩台车在任何情况下所受到的最大应力应该小于所用材料的许用应力。
从仿真结果应力云图1a分析可知，凿岩台车各部件静强度均满足要求，最大应力出现在下侧翼与门架结构连接处，应力值为87.6MPa，远低于材料屈服应力235 MPa，安全系数为2.68。高应力区主要集中在侧翼与门架焊接处和平台钢板区域，安全系数为4.4左右，满足台车安全设计要求。图1b为台车整体位移变形云图，最大值为5.5mm，位于上侧翼焊接钢板中心位置。最大变形范围主要集中在钢板区域。台车整体位移变形较小，门架和斜撑等主要承重部件均在材料允许变形范围内。
4 模态分析
有限元模态分析是通过计算一些系统的特征值来确定所设计系统的振动特性（固有频率和模态振型）。模态分析主要任务是研究没有阻尼的系统的自由振动，特别是确定结构的固有频率，在设计中可以避開这些频率或最大限度的减少对这些频率的激励，从而消除过度振动或噪声[4]。本文运用ANSYS软件对台车进行模态分析，由于结构的振动可以表达为各阶固有振型的线性组合，其中低阶自振频率所引起的共振往往引起结构较大的应力和应变，高阶的影响则很小。因此提取前6级振型（见图2），固有频率如表1所示。凿岩台车主要激励作用来自于钻孔钻机。钻机转速为30～120r/min其频率为0.5～2Hz。从模态仿真结果可以看出，隧道施工凿岩台车最小固有频率为2.49Hz，整体结构前6阶固有频率与钻孔钻机激振频率没有耦合，不会发生共振，具有很好的动力特性。
5 结语
通过对隧道施工凿岩台车整体结构进行有限元分析，结果表明：最大工况时凿岩台车应力值均小于材料许用应力值，台车整体结构满足静强度、刚度的要求。激励频率远离台车的固有频率，在工作的激励频率范围内不会产生共振现象，结构设计合理。该凿岩台车设计制作后已用于隧道施工现场高负荷使用，至今未出现过结构破坏问题，验证了有限元分析技术的可靠性，为合理解决同类共性问题提供了具有参考价值的分析方法。
参考文献
[1] 钱七虎，戎晓力.中国地下工程安全风险管理的现状、问题及相关建议[J].岩石力学与工程学报，2008，27（4）：649—655
[2] 徐爱英，牛旭，赵增耀.隧道衬砌台车有限元结构仿真及优化设计[J].塔里木大学学报2009，（4）
[3]王呼佳，陈洪军.ANSYS工程分析进阶实例[M].中国水利水电出版社，2006：104—113
[关键词]隧道施工凿岩台车；结构；ANSYS；有限元分析
中图分类号：U455.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）38-0233-01
1 引言
隧道施工凿岩台车是一种对隧道开挖时应用的隧道施工机械，普遍采用钢材焊接而成，具有一定的形状、刚度和强度。现阶段我国对凿岩台车没有明确标准可供参考，凿岩台车的设计往往根据经验制作而成，可靠性得不到保证，时常会出现部件变形较大和焊接部位开裂等现象，对安全和工程进度造成了很大影响[1]。
由于隧道施工工况变化较大，不易采用解析法计算台车结构的应力、应变和位移。运用有限元法可对某个关键部件或整体结构进行强度、刚度和模态分析，对其计算结果的准确性具有一定的保证[2]。本文以某隧道施工凿岩台车为研究对象，运用HyperMesh软件建立有限元模型，采用ANSYS软件对其进行静力学分析和模态分析，为其结构进一步优化和改进设计提供依据。
2 有限元模型
2.1 有限元模型的建立
隧道施工凿岩台车的整体结构主要由门架结构、斜撑、下侧翼、上侧翼、行走机构等部件组成，考虑到行走机构对台车结构安全性影响较小，本文只对台车车架和工作平台进行建模。利用CATIA软件建立隧道施工凿岩台车的三维几何模型，导入HyperMesh中建立CAE分析的整体模型。台车主体主要由20a工字钢和5mm钢板焊接而成。因此，模型均采用Shell163号壳单元建模。焊接部位采用共用节点法进行模拟。最终建立的有限元模型包含240820个节点和236423个单元。
2.2 约束及载荷条件的施加
隧道施工凿岩台车行走机构与底部纵梁固定连接，行走机构与地面相接触。正常工作时对行走机构进行制动设置，台车与地面相对静止。有限元模型中，对与行走机构相连接的底部纵梁部位的6个自由度均设置为固定约束，即DOF值均设为0。
台车载荷主要包括施工人员、冲击钻、施工用水和其他施工设备重量，台车在工作时不同部位载荷变化较大。本文将台车分为9个工作区域，以台车最大工况受力进行加载。经估算，每个工作区域受力为4KN，受力以均布载荷形式进行加载。重力加速度值设为g=9.8。
3 静力学分析
结构静力学分析就是计算由载荷使某些结构和部件所产生的位移、应力和应变，但是其分析的适用范围不包括惯性载荷以及有阻尼的载荷[3]。结构静力学分析中的载荷和响应是假定成固定不变的，其中的载荷通常包括接触面较小的集中应力、体力性质的重力和惯性力、单位面积上的压力等。通过有限元静力分析结构的强度与刚度，得出结构整体应力分布情况以及变形范围。凿岩台车结构功能的实现依赖于各部件的正常工作。凿岩台车在任何情况下所受到的最大应力应该小于所用材料的许用应力。
从仿真结果应力云图1a分析可知，凿岩台车各部件静强度均满足要求，最大应力出现在下侧翼与门架结构连接处，应力值为87.6MPa，远低于材料屈服应力235 MPa，安全系数为2.68。高应力区主要集中在侧翼与门架焊接处和平台钢板区域，安全系数为4.4左右，满足台车安全设计要求。图1b为台车整体位移变形云图，最大值为5.5mm，位于上侧翼焊接钢板中心位置。最大变形范围主要集中在钢板区域。台车整体位移变形较小，门架和斜撑等主要承重部件均在材料允许变形范围内。
4 模态分析
有限元模态分析是通过计算一些系统的特征值来确定所设计系统的振动特性（固有频率和模态振型）。模态分析主要任务是研究没有阻尼的系统的自由振动，特别是确定结构的固有频率，在设计中可以避開这些频率或最大限度的减少对这些频率的激励，从而消除过度振动或噪声[4]。本文运用ANSYS软件对台车进行模态分析，由于结构的振动可以表达为各阶固有振型的线性组合，其中低阶自振频率所引起的共振往往引起结构较大的应力和应变，高阶的影响则很小。因此提取前6级振型（见图2），固有频率如表1所示。凿岩台车主要激励作用来自于钻孔钻机。钻机转速为30～120r/min其频率为0.5～2Hz。从模态仿真结果可以看出，隧道施工凿岩台车最小固有频率为2.49Hz，整体结构前6阶固有频率与钻孔钻机激振频率没有耦合，不会发生共振，具有很好的动力特性。
5 结语
通过对隧道施工凿岩台车整体结构进行有限元分析，结果表明：最大工况时凿岩台车应力值均小于材料许用应力值，台车整体结构满足静强度、刚度的要求。激励频率远离台车的固有频率，在工作的激励频率范围内不会产生共振现象，结构设计合理。该凿岩台车设计制作后已用于隧道施工现场高负荷使用，至今未出现过结构破坏问题，验证了有限元分析技术的可靠性，为合理解决同类共性问题提供了具有参考价值的分析方法。
参考文献
[1] 钱七虎，戎晓力.中国地下工程安全风险管理的现状、问题及相关建议[J].岩石力学与工程学报，2008，27（4）：649—655
[2] 徐爱英，牛旭，赵增耀.隧道衬砌台车有限元结构仿真及优化设计[J].塔里木大学学报2009，（4）
[3]王呼佳，陈洪军.ANSYS工程分析进阶实例[M].中国水利水电出版社，2006：104—113