【机情无限 精彩毕设】机械2025届毕业设计（论文）中期检查优秀案例分享第三十一期——成达万高铁隧道建造长跨距栈桥系统设计与仿真

学生姓名：邵硕

班      级：机械2021-02班

指导教师：刘放

毕设题目：成达万高铁隧道建造长跨距栈桥系统设计与仿真

一、概况

1.选题意义

成达万高铁是连接四川省成都市与重庆市万州区的高速客运专线，正线全长477km，线路设计时速为350kph。高速铁路隧道施工的主要方式是钻爆法施工。钻爆法具有施工速度快、建造成本低的特点，广泛应用于山岭隧道的施工中。

栈桥是钻爆法隧道施工中的一种重要的机械，在钻爆法隧道施工中具有重要的作用。栈桥的主要作用是作为运输各种建筑材料和工程车辆的通道，以支持隧道内部的施工作业，使隧道的掘进和仰拱安装工作可以同时进行。

本毕业设计选题面向设计时速350kph高速铁路隧道施工，设计40m长跨距栈桥，并通过对栈桥进行有限元法仿真分析，验证栈桥在工程实际场景中的性能，保证栈桥的可靠性。

2.任务分解

（1）查阅相关文献，了解隧道钻爆法施工的过程，并明确栈桥在隧道钻爆施法工中的工作过程，同时了解目前国内栈桥的研究现状。通过查阅相关资料，了解本毕业设计的研究思路。

（2）基于时速350kph高速铁路隧道的断面图，完成隧道的三维建模。基于隧道的断面尺寸，确定栈桥的结构参数，并完成栈桥各结构的设计与三维建模。通过栈桥的装配体模型和隧道三维模型，进一步了解栈桥的工作过程，确定有限元仿真分析的研究思路。

（3）对栈桥在有工程车辆通过时受到静载荷的情况进行有限元分析。其中包括栈桥的主梁和枕梁、入口滑移架、前端支撑架等结构。通过查阅资料确定施加的载荷大小以及约束情况。

（4）对栈桥在自行走情况下的栈桥各结构有限元分析，包括中支撑、入口横移架等结构。

（5）对有限元仿真分析的结果进行评估与总结。并完成毕业论文的撰写等工作。

二、已完成工作

截止至中期检查，本毕业设计已完成的部分有：掌握隧道钻爆法施工的过程；掌握栈桥在隧道钻爆法施工中的应用；了解栈桥的工作状态以及行走横移功能；完成栈桥的设计及建模；完成设计时速350kph高速铁路隧道的建模；确定通过栈桥的工程车辆的重量并确定栈桥工作中的载荷。对栈桥主梁在受到工程车辆静载荷作用在不同位置状况下的有限元分析。

了解隧道钻爆法施工的过程，通过查阅文献资料，确定了栈桥在隧道钻爆法施工中的应用场景，了解了栈桥的功能以及行走的流程。

参考相关资料，结合本毕业设计的实际应用场景，完成了应用于设计时速350kph高速铁路隧道钻爆法施工中的40m长跨距栈桥的设计工作，包含了栈桥的长跨距参数的确定、栈桥各部分结构设计、栈桥的三维建模。

图1 40m长跨距栈桥的三维建模

根据设计时速为350kph渝夏高铁渝黔段的隧道断面图，完成了对于设计时速350kph单洞双线隧道的三维建模。结合所设计栈桥的三维模型，通过装配体配合，进一步直观的认识了栈桥的工作情况。

图2 隧道三维建模及栈桥工作场景示意图

结合相关文献书籍等资料，学习了使用ANSYS Workbench软件进行静态结构分析的方法。完成了软件的安装以及配置。并通过简单模型加深了对软件的认识与熟练度。

对栈桥的主梁和枕梁进行单独装配，在SOLIDWORKS中对主梁枕梁的装配体进行优化，考虑分析的准确和效率，合理的优化了栈桥的三维模型的结构。将三维模型导入Design Modeler中进行部分结构的切割拆分调整。在Mechanical中对栈桥使用自动方法进行网格划分，并调整网格尺寸。

                  图3 栈桥主梁与枕梁结构的有限元分析模型             图4 主梁枕梁结构局部网格划分

通过相关企业以及有关文献，统计了钻爆法施工中的工程车辆重量，根据统计结果确定了施加在栈桥枕梁处的载荷大小。

对栈桥主梁与前端支撑架、主梁与入口滑移架，合计四个接触面施加固定约束，即限制其全部自由度。将总计80t载荷施加给栈桥跨中的三根相邻枕梁上。

图5 载荷施加

求解等效应力与变形，输出栈桥主梁和枕梁结构的变形云图和应力云图。

             图6 栈桥主梁变形云图                                              图7 栈桥主梁应力云图

分析求解结果，确定栈桥在当前荷载状态下的变形范围和应力范围，并找到变形最大值即其位置和应力奇异值及其位置，对比相关文献资料评估有限元分析结果。更改载荷施加的位置，重新对栈桥的效应力与变形求解，对比载荷施加在不同位置时主梁的应力及变形情况。

图8 载荷施加在不同位置时的求解结果

三、下一步工作计划

2025.4.7-2025.4.15   完成栈桥在承受工程车辆静载荷的状况下，对栈桥前端支撑架和入口滑移架的有限元仿真，并完善对载荷施加在不同枕梁上的有限元仿真。

2025.4.16-2025.4.25  完成栈桥在自行走状态下，入口滑移架、中支撑以及栈桥主梁等结构的有限元分析。

2025.4.26-2025.4.30   对有限元分析结果进行整理，撰写仿真计算报告。

2025.4.20-结题    撰写毕业设计论文，并准备结题答辩相关事宜。

问题一：有限元分析中，载荷和约束的情况是怎样确定的？

回答：我在确定载荷之前，通过查阅资料以及在隧道施工机械的相关企业官网上了解了通过栈桥的工程车辆的重量。其中最重的三臂凿岩台车全车质量约为60t。因此将施加在栈桥枕梁上的总载荷设置为80t，将载荷施加在主梁跨中的三根枕梁上。

栈桥的约束则是对主梁与前端支撑架、主梁与入口滑移架共4个接触面进行约束，约束类型为固定约束，即约束所有自由度。

问题二：有限元分析的栈桥变形结果是否在正常范围内？

回答：由于做主梁的有限元法分析时，简化了覆盖在枕梁上的梯板结构，因此在实际情况下，工程车辆载荷所作用在枕梁上的受力分布应该更加均匀。当前载荷下，40m跨距栈桥的最大变形为43.851mm，变形量在正常范围内。尽管部分网格质量偏低，求解的结果也与相关参考资料较为吻合。

通过本次毕业设计，极大的提高了我的科研思维和解决实际问题的能力，本次毕业设计运用到了很多大学期间所学习的基础知识，包括SOLIDWORKS三维建模、理论力学、材料力学、机械原理、机械设计、有限元分析等。通过毕业设计的“实战练习”，让我对于这些技能有了更加深刻的掌握。

在毕业设计的过程中，我也遇到了不少难题，使我更加明白了学无止境的道理。在研究过程中，我查阅了很多文献资料，也借阅了一些与毕业设计的研究任务有关的书籍。通过毕业设计这个契机，提高了我的自学能力。

当前阶段，我的毕业设计研究仍然存在不少缺陷，比如有限元分析中的网格划分的工作，在经历了很多次的尝试和改变后，仍然会有一些畸变或网格质量较低的问题，这让我体会到了自身能力的不足。这样的挑战也激起了我对于知识不断探索的渴望。

当然，毕业设计工作的顺利进行，离不开我的导师刘放老师以及师兄们的悉心指导。衷心感谢各位老师同学，希望能够更高质量的完成毕业设计的后续任务。