盾构机盾体外壳卷板过程的三维有限元仿真

2013-06-29童彪，李桐，王媛，宋黎

锻压装备与制造技术 2013年1期

童彪，李桐，王媛，宋黎

（中铁科工集团轨道交通装备有限公司，湖北武汉 430223）

1 引言

盾构机在当今的轨道交通建设中运用广泛。随着需求量的不断增大，国产化的需求越来越迫切。在盾体外壳制造中，卷板过程的控制对整个盾体外壳的质量起到决定性作用。本文在实践经验确定加工工艺的基础上，运用大型有限元分析软件DEFORM-3D 对水平下调式三辊卷板机卷板过程进行了有限元仿真模拟，了解在确定的工艺参数下盾体外壳的成形过程，并对该过程进行分析以及不断修正工艺参数，使之达到理想的加工指标，缩短了试验时间，节约了生产成本。

2 卷板机结构形式及滚弯过程简介

卷板采用水平下调式三辊卷板机，其上辊可作升降运动，两下辊可单独或同时水平移动，如图1 所示。

上辊为从动，两个下辊的可调行程较大，在卷弯过程中，每个下辊轮流执行下辊与侧辊的功能，即先后构成两种非对称式三辊卷板机，从而只需一次装卸工件，即可完成包括前、后板端在内的全部卷弯工作，如图2 所示。两下辊可单独调整的机型由于其中心距可调，因此扩大了机器的加工范围。两下辊同时水平移动的机型，两下辊端分别安装在同一机架上，卷板时水平分力可相互抵消，受力状况好。卷板机水平下调式结构，整机重心低，卷板稳定性好，不仅适用于中小型卷板机，更适用于大型卷板机。另外由于倒头侧采用油缸下置式结构，卷板视野开阔，锥形工件可绕过倒头轴承体，卷制锥形工件的锥度大，最大可达60°。

盾体外壳的卷板设备型号为W11S-125/200×3800，最大板宽3800，最小直径3500。三辊卷板机上辊直径1050mm，两下辊直径为515mm，两下辊中心距为1150mm,所用的材料为Q345B,材料的几何尺寸为10480×1683×60,材料的力学性能如下表所示。

表1 Q345B 材料力学性能

3 有限元仿真模拟

3.1 模型建立

卷板过程的有限元模拟，首先要对模拟对象进行建模，建立的模型与实际情况的符合程度直接影响到模拟结果的正确性。在DEFORM-3D 中的建模通常有两种方式：一种是采用三维软件进行建模然后导入，另一种是直接在DEFORM-3D 中进行建模。本文的建模方式采用第一种，运用PRO/E 软件建立卷板机上、下辊的三维模型以及需要卷制的钢板模型，如图3 所示。

3.2 网格划分及参数设置

对钢板和辊子进行建模后导入DEFORM-3D软件进行网格划分，将辊子视为刚体，所以只用对钢板进行网格划分即可，如图4 所示。划分的单元数为200000。在卷板过程中，辊子和板料是接触的，板子依靠与下辊的摩擦力来进行进给运动，摩擦力类型为剪切摩擦力，摩擦系数设为0.08，下辊转速为0.2266rad/s（3.5m/min）。

4 结果分析与工艺改进

4.1 直边问题

首次滚弯将下压量设置为30mm，可以清晰地得到滚弯开始时模拟结果。板料存在直边现象，这主要是因为变形抗力太大引起的。根据这一结果，为了保证卷板的良好效果，在实际工艺中采用接直头的方式来解决直边问题。同时，通过对不同下压量模拟的结果进行分析，模拟的直边在300mm～350mm 左右，根据板厚的不同总结出类似盾体盾壳的大型结构件卷板，接直头的长度在300mm 较为合适，板厚过大时直头的长度可以延长到500mm。

4.2 下压量的估算

在没有进行模拟的情况下，对卷板的控制一般都是遵循中心辊下压—测量—下压—再测量的原则，一直到卷出的板子复合既定尺寸为止，既增加了工作量，也让卷板质量得不到保证。通过对不同下压量的模拟，可减少下压和测量的次数，提高卷板的工作效率。对于模拟的卷板尺寸，分别就9 个不同的下压量进行模拟，并估算其半径值，结果如表2 所示。