技术特征：
1.矩形曲线顶管顶进施工力学特性研究与优化设计，其特征在于，其具体包括如下步骤：s1、确定矩形曲线顶管顶进施工过程中顶管上的荷载分布，并计算荷载；s2、建立矩形曲线钢顶管多体系统动力学模型，根据多体动力学基本理论，通过模型获取动力学普遍方程、广义速度公式、动力学控制方程和多体系统的动力学控制方程；s3、确定计算模型和连接器单元运动约束属性，操作sdk使用两节点连接单元在系统各部分之间建立联系，并通过定义连接属性来描述各部分之间的相对运动约束关系；s4、确定模型计算物理力学参数，假定地层荷载、摩擦阻力、管端正面阻力都是均匀分布的，假定钢材为理想弹塑性钢材，管节模型取两节，通过连续单元连接两管节；s5、进行直线顶管多体模型分析，钢管采用壳单元，选用s6r类型进行网格划分；s6、进行直线顶管转变为矩形曲线顶管多体模型分析，模拟中采用多节管道，矩形曲线管道钢管通过接头连接而成；s7、矩形曲线顶管多体系统动学模型顶管顶进力预计计算，钢管采用壳单元，选用s6r类型单元进行网格划分。2.根据权利要求1所述的矩形曲线顶管顶进施工力学特性研究与优化设计，其特征在于，步骤s1中，确定矩形曲线顶管顶进过程中顶管上的荷载分布，并计算荷载具体为：首先，确定矩形曲线顶管上的土压力，分别采用土柱理论、普氏理论和太沙基理论进行分析，与实验对比确定采用太沙基理论；其次，确定顶进过程中的单位面积摩擦阻力，摩擦阻力受土的性质、管道的材料、润滑浆液的配合比、管
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润滑浆液
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土三者的接触状态的影响；最后，确定顶进时的顶力，顶力由管周摩擦阻力和管端正面阻力的大小决定。3.根据权利要求1所述的矩形曲线顶管顶进施工力学特性研究与优化设计，其特征在于，步骤s2中，动力学普遍方程为：其中，q为广义坐标向量；t为系统动能；q为广义力；系统动能t由广义速度表示为：其中，q为广义速度向量；m为质量矩阵；物体的动力学控制方程为：其中，为广义加速度向量；m为质量矩阵；k为刚度矩阵；qf主动力对应的广义力；qv为速度的二次项有关的广义力；多体系统的动力学控制方程为：
其相应的约束方程为：c(q,t)＝0式中，λ为拉格朗日乘子列阵；c为约束矩阵；为约束的雅克比转置矩阵。4.根据权利要求1所述的矩形曲线顶管顶进施工力学特性研究与优化设计，其特征在于，步骤s3具体为：s31、在part、assembly或interaction功能模块中，定义连接单元和约束所要用到的参考点和基准坐标系；s32、在interaction模块中，设置连接单元、连接属性和约束；s33、在step模块中，设置单元的历史变量输出；如果模型中出现较大的位移或转动，应将几何非线性参数nlgeom设置为on；s34、在load模块中，定义边界条件和载荷，以及连接单元的边界条件和载荷；s35、在visualization模块中，查看连接单元的历史变量输出、控制连接单元的显示方式。5.根据权利要求1所述的矩形曲线顶管顶进施工力学特性研究与优化设计，其特征在于，步骤s5中，直线顶管采用slide
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plane和旋转连接属性cardan；计算出每增加一个管节推力值增加为一个定值，主要原因是摩擦力的影响；在直线顶管顶进过程中管节与管节之间会出现一定的相对转动，且相对转角处于动态变化的过程；管节之间连接时允许一定的转动自由度，可以减少管节之间的转动弯矩。6.根据权利要求1所述的矩形曲线顶管顶进施工力学特性研究与优化设计，其特征在于，步骤s6中，还包括确定连接属性的步骤：首先，两管节之间采用四个连接单元对称分布在管周，曲线内侧连接单元为平移连接属性join和旋转连接属性cardan,其余连接单元为平移连接属性slot和旋转连接属性cardan；其次，顶管直线转变为曲线的过程中，随着顶进距离的增加，管节之间的夹角在增大，且呈现出线性关系。7.根据权利要求1所述的矩形曲线顶管顶进施工力学特性研究与优化设计，其特征在于，步骤s7中，连接属性采用平移连接属性join和旋转连接属性revolute；由于摩擦力的影响，每增加一节管节，推力值增加为一个定值，且与直线顶管增加值相近；管节之间的相对转角在顶进时表现出动态变化，但相对转动角都非常小，比直线顶管小很多；管道在矩形曲线顶进过程中，为保持管节轨迹为曲线，管节之间会产生水平力，且呈现出水平力两头大中间小的规律；在长距离顶管中，单位面积摩擦阻力是影响顶力大小的主要因素。
技术总结
本发明公开了矩形曲线顶管顶进施工力学特性研究与优化设计，其具体包括如下步骤：S1、确定矩形曲线顶管顶进施工过程中顶管上的荷载分布，并计算荷载；S2、建立矩形曲线钢顶管多体系统动力学模型；S3、确定计算模型和连接器单元运动约束属性；S4、确定模型计算物理力学参数；S5、进行直线顶管多体模型分析；S6、进行直线顶管转变为矩形曲线顶管多体模型分析；S7、矩形曲线顶管多体系统动学模型顶管顶进力预计计算。通过研究与优化设计，本发明可计算出矩形曲线顶管顶进的总顶力，为顶进设备的选购提供依据；可计算出各管节之间的顶进力和相对角度，为管节的顶进提供可靠度，避免管节顶进过程中出现偏差而影响施工的进度与质量。进过程中出现偏差而影响施工的进度与质量。进过程中出现偏差而影响施工的进度与质量。
技术研发人员：柳昌梅
受保护的技术使用者：武汉科技大学
技术研发日：2021.08.04
技术公布日：2021/10/8