顶管顶进过程的多体系统动力学数值模拟方法
【专利摘要】本发明公开了一种顶管顶进过程的多体系统动力学数值模拟方法，隧道工程管幕预加固的研究领域。本发明方法的操作步骤为：第一步确定直线、曲线顶管顶进过程中顶管上的荷载分布和计算；第二步建立直、曲线钢顶管多体系统动力学模型；第三步确定模型计算物理力学参数；第四步计算模型和连接器单元运动约束属性的确定；第五步进行直线顶管多体模型分析；第六步进行直线顶管转为曲线顶管多体模型分析；第七步曲线顶管多体系统动学模型顶管顶进力预计计算。
【专利说明】
顶管顶进过程的多体系统动力学数值模拟方法
技术领域
[0001] 本发明设及隧道工程管幕预加固的研究领域，特别设及一种顶管顶进过程的多体 系统动力学数值模拟方法。
【背景技术】
[0002] 顶管法是一种非开挖技术，主要用于地下管道的铺设，顶进管道时借助主顶油缸 的顶推力，在长度较大时也可借助中继间来传递顶推力，把顶管掘机从始发工作井顶到接 收井内并吊起，在此过程中顶管掘进后的管道直接铺设在始发井与接受井之间的±层中。 1896年美国北太平洋铁路铺设工程中第一次使用顶管施工技术，并取得满意的效果。顶管 施工技术在我国最早开始使用是在1953年的北京，经过多年的发展，顶管技术在我国已得 到大量地实际工程应用，且保持着高速的增长势头，无论在技术上、顶管设备还是施工工艺 上取得了很大的进步，在某些方面甚至已达到了世界领先水平。
【发明内容】
[0003] 本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种顶管顶进过程的多 体系统动力学数值模拟方法，通过该方法探讨顶管顶进时管节之间的力学行为，提出了基 于多体模型预测顶力的新方法，对顶进力与摩擦力和迎面阻力的关系进行讨论。
[0004] 为了达到上述目的，本发明采用W下技术方案：
[0005] 本发明提供了一种顶管顶进过程的多体系统动力学数值模拟方法，包括下述步 骤：
[0006] S1、确定直线、曲线顶管顶进过程中顶管上的荷载分布并计算荷载；
[0007] S2、建立直、曲线钢顶管多体系统动力学模型，介绍多体动力学基本理论，了解动 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；
[000引S3、确定计算模型和连接器单元运动约束属性，操作Abaqus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；
[0009] 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；
[0010] S5、进行直线顶管多体模型分析，钢管采用壳单元，选用S4R类型进行网格划分；
[0011] S6、进行直线顶管转变为曲线顶管多体模型分析，模拟中采用多节管道，曲线管道 钢管通过接头连接而成；
[0012] S7、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S4R 类型单元进行网格划分。
[0013] 作为优选的技术方案，步骤S1中，确定直线、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：
[0014] 确定顶管上的±压力，分别采用±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；
[0015] 确定顶进过程中的单位面积摩擦阻力，摩擦阻力受±的性质、管道的材料、润滑浆 液的配合比、管-润滑浆液-±立者的接触状态的影响；
[0016] 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。
[0017] 作为优选的技术方案，步骤S2中，动力学普遍方程为：
[001 引
[0019]其中，q为广义坐标向量;T为系统动能;Q为广义力；
[0020] 系统动能T由广义速度表示为：
[0021]
[0022] 其中，q为广义速度向量;Μ为质量矩阵；
[0023] 物体的动力学控制方程为：
[0024]
[0025] 其中J为广义加速度向量;Μ为质量矩阵;Κ为刚度矩阵;化主动力对应的广义力;Qv 为速度的二次项有关的广义力；
[0026] 多体系统的动力学控制方程为：
[0027]
[0028] 其相应的约束方程为：
[00 巧]C(q，t)=0
[0030] 式中，λ为拉格朗日乘子列阵;C为约束矩阵;碍为约束的雅克比转置矩阵。
[0031] 作为优选的技术方案，步骤S3具体为：
[0032] 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；
[0033] S32、在INTERACTION模块中，设置连接单元、连接属性和约束；
[0034] 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NLGE0M设置为ON;
[0035] S34、在LOAD模块中，定义边界条件和载荷，W及连接单元的边界条件和载荷；
[0036] 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。
[0037] 作为优选的技术方案，步骤S5中，直线顶管采用Slide-Plane和旋转连接属性 化rdan;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W减少管节之间的转动弯矩。
[0038] 作为优选的技术方案，步骤S6中，还包括确定连接属性的步骤，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和旋转连接属性化rdan;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。
[0039] 作为优选的技术方案，步骤S7中，连接属性采用平移连接属性化in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。
[0040] 本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
[0041] 1、本发明可计算出顶管顶进的总顶力，为顶进设备的选购提供依据。
[0042] 2、本发明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。
【附图说明】
[0043] 图1为本发明顶管施工过程中受力模型图；
[0044] 图2(a)、图2(b)分别为本发明直线顶管进受力、管节断面受力图；
[0045] 图3(a)、图3(b)分别为本发明曲线顶管进受力、管节断面受力图；
[0046] 图4为本发明直线钢顶管多体动力学模型；
[0047] 图5为本发明曲线钢顶管多体动力学模型；
[0048] 图6为本发明连接器单元位置示意图。
【具体实施方式】
[0049] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限 于此。
[0050] 实施例
[0051] 本实例选取港珠澳大桥珠海段拱北暗挖隧道，全长255m，全线穿越珠海进入澳口 的通关口岸拱北口岸和茂盛围军事管理区等重要区域，沿线地面建筑多，地下管线及邻近 粧基础密集W及地质情况复杂。拱北暗挖隧道管幕工程由36根外径1620mm钢管组成，每根 管道有64节管节，每节钢管长4m，管节之间采用F型承插口连接。管道的壁厚W整个管幕的 中板为界，中板上部管道的壁厚为20mm，共17根，下部管道的壁厚为24mm，共19根。本隧道管 道采用顶管法，顶管顶进过程的多体系统动力学数值模拟方法的操作步骤如下：
[0052] 第一步，W港珠澳大桥拱北暗挖隧道29#管为研究对象，确定直线，曲线顶管顶进 过程中顶管上的荷载分布和计算;确定管道上的±压力、顶进过程中的单位面积摩擦阻力 和顶进时的顶力。可查看附图1的顶管施工过程中受力模型图、附图2(a)、图2(b)的直线顶 管荷载示意图和附图3(a)、图3(b)的曲线顶管荷载示意图。
[0053] 表1 ±体材料物理力学参数表
[0化4]
[0055] 1)确定管端正面阻力：
[0056] Pf = Pw+Ps+P
[0化7] 式中Pf为管端正面阻力，Pa;
[0化引 Pw为地下水压力，Pa;
[0059] ?3为±体压力，Pa;
[0060] P为常数，一般取20~30kPa。
[0061] 2)确定管道上的垂直±压力：
[0062]
[0063] 其中，Nz为垂直±压力，k化；
[0064] ko为朗肯主动±压力系数，&〇 =化η:(45|，-口/引；
[00化]C为±体粘聚力，k化；
[0066] 131为±体破坏线宽度的一半，m;
[0067] 丫为管道上覆±重度，kN/m3;
[006引巧为±体内摩擦角，％
[0069] Η 为拱高，m;
[0070] B为拱跨的一半，m。
[0071 ] 3)确定管周法向±压力
[0072]管道上部法向±压力取管道顶部的垂直±压力Nz，管道底部的法向±压力是在管 道顶部法向±压力的基础上加上管道自重为：
[007；3] Nz2 = Nz1+G，其中，G 为管道自重，kg;
[0074] 管道左侧法向±压力为:Nxi = koNzi，其中，ko为水平侧压力系数；
[0075] 管道右侧法向±压力为:Nx2 = koNzi，其中，ko为水平侧压力系数。
[0076] 在多体模型分析中为简化计算模型，可将管道顶部、底部、两侧法向±压力的平均 值作为管周法向±压力加载到多体模型中，管周法向±压力可取为：
[0077] N=(Nz1+Nz2+Nxi+Nx2)/4
[0078] 4)确定顶进过程中单位面积摩擦阻力
[0079] F = f · N · A=M · A；
[0080]
[0081 ] 其中，F为单位长度摩擦阻力，kN;
[0082] f为±与管壁摩擦系数；
[0083] N为单位面积管道上的法向±压力，kN;
[0084] A为管道外表面的面积，m2;
[0085] Μ为单位面积摩擦阻力，kN/m2，M=f · N。
[0086] 5)确定顶进时的顶力
[0087] P=F · L+Pf
[008引其中，P为顶力，kN;
[0089] F为单位面积摩擦阻力，kN/m;
[0090] L为顶进距离，m;
[0091] Pf为管端正面阻力，KN。
[0092] W上公式，对于没有施工现场监测的情况下比较适用，有现场监测数据时，可W根 据现场监测数据确定各种荷载。
[0093] 第二步，建立直、曲线钢顶管多体系统动力学模型（如图4、图5所示），介绍多体动 力学基本理论，了解动力学普遍方程、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。
[0094] 动力学普遍方程为：
[0095]
[0096] 其中，q为广义坐标向量；
[0097] T为系统动能；
[0098] Q为广义力。
[0099] 系统动能T由广义速度表示为：
[0100]
[0101] 其中，q为广义速度向量；
[0102] Μ为质量矩阵。
[0103] 物体的动力学控制方程为：
[0104]
[01化]其中，f为广义加速度向量；
[0106] Μ为质量矩阵；
[0107] Κ为刚度矩阵；
[010引化主动力对应的广义力；
[0109] Qv为速度的二次项有关的广义力。
[0110] 多体系统的动力学控制方程为：
[0111]
[0112] 其相应的约束方程为：
[0113] C(q,t) =0
[0114]式中，λ为拉格朗日乘子列阵；
[011引C为约束矩阵；
[0116] Cf为约束的雅克比转置矩阵。
[0117] 第Ξ步，确定计算模型和连接器单元运动约束属性，操作Abaqus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。其基本分析步骤为：
[0118] (1)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；
[0119] (2)在INTERACTION模块中，设置连接单元、连接属性和约束；
[0120] (3)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NLGE0M设置为ON;
[0121] (4)在LOAD模块中，定义边界条件和载荷，W及连接单元的边界条件和载荷；
[0122] (5)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。
[0123] 第四步，确定模型计算物理力学参数;首先假定地层荷载、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。模型主要取两节管节，29#钢管采用Q235,管节长度为4m，管节直径为1.62m，管壁厚度为 20mm，通过连接单元连接两管节，钢管的弹性模量E = 210G化，管道的密度为p = 7850kg/m3， 泊松比V = 0.3，屈服强度为3.45 X 108Pa。
[0124] 第五步，进行直线顶管多体模型分析，钢管模拟中采用壳单元，选用S4R类型进行 网格划分，六节管节共划分12792个单元。直线顶管施工顶进中考虑限制两管节之间管轴方 向的位移，因此本次直线顶管多体模拟中连接属性采用平移连接属性Slide-Plane和旋转 连接属性化rdan，该组合连接属性中仅限制管轴方向的位移，可查阅附图4直线顶管连接属 性图；计算出每增加一个管节推力值增加为34586N，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，最 大转动角出现在管节3与管节4处，最大值为4.27 X 10-7度;管节之间连接时允许一定的转动 自由度，可W减少管节之间的转动弯矩。
[0125] 第六步，进行直线顶管转变为曲线顶管多体模型分析，模拟中采用6节管道，曲线 管道钢管通过F接头连接而成;确定连接属性，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化in和旋转连接属性化rdan，其余Ξ个连接单元为 平移连接属性Slot和旋转连接属性Cardan,可查阅附图5直线顶管转变为曲线顶管连接属 性图；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。
[0126] 第屯步，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 S4R类型单元进行网格划分，六节管节共划分12792个单元;连接属性采用平移连接属性 Join和旋转连接属性Re volute，该连接属性仅在管轴方向有旋转自由度。为了能更好地反 映钢管顶进过程中直线、曲线顶管在顶进过程中的运动特性和受力特性，在建立钢管顶进 多体力学模型中选取的不同的连接器单元及运动约束关系来反映顶管接头的受力和变形， 运动约束。直线、曲线顶管接头连接器单元选择如表2所示，其中向接头单元的位置如图6所 示。由于摩擦力的影响，每增加一节管节，推力值增加为34579N，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，最大转角为1.16 Χ10-5度，比直线顶管小很多;管道在曲线顶进过程中，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。
[0127]表2钢管接头连接器单元的运动约束属性 [012 引
[0130]上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的 限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 顶管顶进过程的多体系统动力学数值模拟方法，其特征在于，包括下述步骤： 51、 确定直线、曲线顶管顶进过程中顶管上的荷载分布并计算荷载； 52、 建立直、曲线钢顶管多体系统动力学模型，介绍多体动力学基本理论，了解动力学 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； 53、 确定计算模型和连接器单元运动约束属性，操作Abaqus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； 54、 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； 55、 进行直线顶管多体模型分析，钢管采用壳单元，选用S4R类型进行网格划分； 56、 进行直线顶管转变为曲线顶管多体模型分析，模拟中采用多节管道，曲线管道钢管 通过接头连接而成； 57、 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S4R类型 单元进行网格划分。2. 根据权利要求1所述的顶管顶进过程的多体系统动力学数值模拟方法，其特征在于， 步骤S1中，确定直线、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： 确定顶管上的土压力，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； 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-润滑浆液-土三者的接触状态的影响； 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所述的顶管顶进过程的多体系统动力学数值模拟方法，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;Μ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;Μ为质量矩阵;Κ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;0为约束的雅克比转置矩阵。4. 根据权利要求1所述的顶管顶进过程的多体系统动力学数值模拟方法，其特征在于， 步骤S3具体为： 531、 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； 532、 在INTERACTION模块中，设置连接单元、连接属性和约束； 533、 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NLGE0M设置为ON; 534、 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； 535、 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所述的顶管顶进过程的多体系统动力学数值模拟方法，其特征在于， 步骤S5中，直线顶管采用Slide-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所述的顶管顶进过程的多体系统动力学数值模拟方法，其特征在于， 步骤S6中，还包括确定连接属性的步骤，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;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所述的顶管顶进过程的多体系统动力学数值模拟方法，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Re volute;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。
【文档编号】F16L1/028GK105825027SQ201610192677
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月30日
【发明人】吉小明, 龙兵, 许江海
【申请人】广东工业大学