学生姓名：胡成宇

班   级：机械2018-06班

指导教师：田怀文

毕设题目：隧道衬砌台车设计及结构有限元分析

一、概况

1.选题意义

隧道开挖后，为控制开挖岩面的应力释放和变形，保证隧道衬砌施工过程的安全性，应马上进行围岩支护工序。围岩支护一般分为初期支护和二次衬砌，隧道衬砌台车是隧道施工过程中二次衬砌必须使用的专用设备，也是二次衬砌不可或缺的产品，在公路和铁路隧道、地下洞室以及水工隧道等重大工程项目中应用广泛，主要用于对隧道内壁的混凝土衬砌施工，直接决定衬砌面外观和隧道质量。

使用ANSYS软件对衬砌台车的结构进行有限元分析和研究，以达到加快企业研制周期、降低企业研制成本，为设计和改造以及优化提供理论依据的目的。基于ANSYS的衬砌台车整体结构的有限元分析，不仅可以验证其方案设计的合理性，而且可以验证各构件在衬砌过程中受力情况，机构参数设置是否最优。通过先进的三维建模软件进行准确建模，在有限元分析软件ANSYS下进行受力分析及强度、刚度的分析，然后进行优化。这样，在没有制造真实样机的前提下，设计人员可以通过三维虚拟设计，可以动态的实现衬砌台车的各种工作状况及全部的作业过程。

2.任务分解

（1）文献资料搜集、整理与阅读、翻译外文文献；了解国内外衬砌台车的工作原理、发展现状，以及隧道衬砌台车的应用场景和遇到的问题，同时完成开题报告的撰写；

（2）根据隧道断面尺寸和工程施工要求，设计台车结构、模板和运行机构的主要参数；衬砌台车形式多样，但其结构基本相同，包括：模板总成，走行系统，顶升机构，横移机构，支撑杆件系统，自动浇筑系统以及其他附属机构；

图 1 (a) 衬砌台车结构示意图

图 1 (b) 衬砌台车结构示意图

1-门型架装置、2-桁架结构、3-行走装置、4-爬梯装置、5-型边模支撑、6-顶模装置、7-边模装置。

（3）三维设计方面，根据隧道断面尺寸施工要求，设计一种适用于国内高铁和高速公路双线隧道施工的双线隧道施工仰拱台车，要分为模板及托架总成、门架总成、行走系统、支撑系统、平移系统及其它附属装置部分；

（4）建立隧道施工中施加于台车模板的外载荷力学模型；

①由于台车分别由上部模板和侧面模板组成，因此,对台车结构进行受力分析时可分开考虑，然后再进行荷载组合。

②另外，台车结构受力分析应考虑工作及非工作2种工况下的荷载，非工作时,台车只有自重,结构受力较小。

③门架结构受力分析：门架整体框架结构的受力分析分为水平荷载与垂直荷载2种工况。 

（5）基于有限元软件ANSYS，针对台车结构的强度、刚度和模态进行仿真；

①在台车的结构中，由于门架是主要的承重物件,必须保证有足够的强度、刚度及稳定性。因此,强度校核时应以工作时的最大荷载为设计计算依据;

②非工作时,台车只有自重,结构受力较小,此种工况可以不做强度分析。由于台车上下模板的受力不同,其载荷分析可分成两部分,然后再进行荷载组合,对门架进行强度校核。

③在门架中,中间的门架受力最大,因此在有限元分析中可以只针对中间的门架分析,即可确保结构的安全可靠。

（6）对仿真分析结果和设计数据进行分析总结；    　　                      

（7）撰写毕业论文；            　　                                      

（8）毕业实习；撰写实习报告，并准备论文答辩相关事宜。 

二、已完成工作

1.文献阅读部分

 已完成文献资料搜集、整理与阅读、翻译外文文献；了解国内外衬砌台车的工作原理、发展现状，以及隧道衬砌台车的应用场景和遇到的问题。了解了在现实情况中常见的隧道衬砌和遇到相关问题的解决方法。在这之后又查阅了隧道加工相关的论文，大概了解了隧道的衬砌过程，主要了解本论文所研究的隧道衬砌台车的工作过程、浇筑阶段以及工程实际中可能出现的问题。最后查阅了有关于隧道衬砌台车在国内的运用情况，对所研究的内容有了大致的了解。完成了论文绪论部分的撰写。

2.模板的载荷分析

3.有限元分析

对衬砌台车进行了不同工况的分析。将工况分为了两个大的方面，分别是未浇筑混凝土和浇筑混凝土时。

工况一：未浇筑混凝土时，轮子与轨道接触，由于车轮受载时分析不便，将其等效到车轮上面的平面上。

工况二：未浇筑混凝土时，支腿撑地使车轮离地。

工况三：刚开始浇筑混凝土，混凝土高度只到达底部窗口时的状态，此时混凝土对模板有侧模压力。

工况四：浇筑混凝土并使其高度到达上部窗口时，门架承受模板结构的压力以及混凝土的压力。

针对不同工况，将四分之一门架模型导入ANSYS Workbench进行有限元分析。

首先对于工况一，未浇筑混凝土时，轮子与轨道接触，由于车轮受载时分析不便，将其等效到车轮上面的平面上。此时的应力云图如图2所示，位移云图如图3所示。

图 2 工况一应力云图

图 3 工况一位移云图

对于工况二，未浇筑混凝土时，支腿撑地使车轮离地。此时，将载荷施加于门架的主梁上，对支腿平面施加位移约束。此时的应力云图如图4所示，位移云图如图5所示。

图 4 工况二应力云图

图 5 工况二位移云图

三、下一步工作计划

（1）接下来的主要工作是对门架结构与顶部模板进行有限元分析，对门架和顶部模板进行结构强度、刚度和模态仿真及结果分析。这部分由于装配体结构复杂，预计需要花较多的时间来处理数据等。

（2）完成课题工作后，重心便放在的论文书写上，将一些前期准备的资料及工作较为完整的写入论文，同时注重格式的书写及自我想法的表述，避免查重。

（3）论文完成后便开始为答辩进行准备，确保万无一失。

问题一：结构设计中的关键部位在哪里，如何构建的？

回答：在进行衬砌台车的结构设计中，主要进行门架主梁、支腿以及行走机构的结构设计。对于衬砌台车而言，主要受力构件是台车门架，门架几乎承担了台车工作时的所有荷载，包括台车自重和浇筑混凝土时产生的压力，自重和浇筑荷载由台车断面内的各个千斤顶油缸传递。因此选择对台车门架的主梁和支腿进行结构设计。而行走机构是安装在衬彻台车门架的底纵梁下部，采取电机减速器，确保台车整个轨迹行走的平稳和可靠，也要进行必要的结构设计。

问题二：施加于有限元模型的载荷组合是什么？

回答：针对衬砌台车的不同工作条件，将其分为四种工况：

工况一：未浇筑混凝土时，轮子与轨道接触，由于车轮受载时分析不便，将其等效到车轮上面的平面上，此时的载荷是门架自重以及模板的重力。

工况二：未浇筑混凝土时，支腿撑地使车轮离地，此时的载荷由台车的支腿来承受，此时的载荷是门架自重以及模板的重力。

工况三：刚开始浇筑混凝土，混凝土高度只到达底部窗口时的状态，此时混凝土对模板有侧模压力，此时的载荷是门架自重以及模板的重力和混凝土的侧模压力。

工况四：浇筑混凝土并使其高度到达上部窗口时，门架承受模板结构的压力以及混凝土的压力。

问题三：目前的进度如何

回答：首先是已完成文献资料搜集、整理与阅读、翻译外文文献；对所研究的内容有了大致的了解。并完成了论文绪论部分的撰写。三维模型的建立方面，根据隧道断面尺寸施工要求，完成了隧道衬砌台车主要结构部分的建模，包括为模板、门架总成、行走系统、支撑系统、平移系统及其它附属装置部分并完成了装配。结构设计方面，完成了门架主梁、支腿和行走机构等的设计计算。针对衬砌台车不同工作状态时所受的载荷不同，将其分为四种工况，分别对不同工况下的载荷进行分析，进而对不同工况下的门架进行有限元分析。目前已经完成工况一和工况二的引力云图和位移云图，并将在之后对有限元结果进行分析。

在进行本次毕业设计的过程中，进行了以往所没有进行过的学习过程。从拿到论文题目时的陌生，到通过大量阅读衬砌台车相关文献之后的熟练理解。在大量查阅文献的过程中，无疑是有十分巨大的收获。通过查阅文献，我了解到了国内外衬砌台车的工作原理、发展现状，以及隧道衬砌台车的应用场景和遇到的问题。了解了在现实情况中常见的隧道衬砌和遇到相关问题的解决方法。在这之后又查阅了隧道加工相关的论文，大概了解了隧道的衬砌过程，以及隧道衬砌台车的工作过程、浇筑阶段以及工程实际中可能出现的问题。对所要研究的内容有了十分细致的理解。

在进行结构设计与计算上，由于需要对衬砌台车门架的主梁、支腿以及行走机构进行设计，在这个过程中，通过运用之前专业课程所学知识，将之前所学知识复习并融会贯通。

在进行三维建模与有限元分析方面，三维建模需要用到软件SolidWorks，有限元分析需要用到软件ANSYS。在进行三维模型的建立时，对SolidWorks软件的运用更加的熟练，能够更加熟练的进行零件建模与装配体的组装。由于之前对于有限元分析软件的学习不足，给我的有限元分析带来了一定的困难，不过这同时也给了我去更加深入学习软件使用的机会，让我能更好的运用好建模与分析软件这个工具。

在进行毕业设计的过程中，也遇到了一些问题。在进行结构的设计与计算的时候，由于衬砌台车门架结构与一般门式起重机有所不同，不能完全套用门式起重机计算公式，在进行主梁和支腿计算时存在一定的问题。而且由于计算的复杂，对于取得正确结果来说需要花费更多的时间。在进行有限元分析时，由于门架是对称结构，最开始并没有想到可以用对称结构来处理，导致浪费了时间。后面进行处理时，取其中四分之一的结构，在其上施加约束与载荷，这才大大节省了软件处理的速度。这些问题通过自己的努力，以及老师和同学帮助，也都得到了很好的解决。

目前也只是完成了毕业设计的部分内容，还有有限元分析以及更细致的载荷分析待完成。之后的任务就是努力完成剩余研究内容，并撰写毕业论文，并在之后的毕业答辩中有一个较好的表现。