基于有限元方法的架橋機(jī)牛腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、校核與優(yōu)化

商鵬 （河北工業(yè)大學(xué) 天津300130）

張杰 張國(guó)芹 （天津重鋼機(jī)械裝備股份有限公司 天津300459）

基于有限元方法的架橋機(jī)牛腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、校核與優(yōu)化

商鵬 （河北工業(yè)大學(xué) 天津300130）

張杰 張國(guó)芹 （天津重鋼機(jī)械裝備股份有限公司 天津300459）

牛腿支撐結(jié)構(gòu)是下行式架橋機(jī)的核心支撐部件。該部分結(jié)構(gòu)一般由兩個(gè)橫梁和一個(gè)支架組成三角形結(jié)構(gòu)，且連接固定方式一般采用焊接，局部受力大的地方采用法蘭盤(pán)連接，該部分受力較復(fù)雜，是整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的基石，因此驗(yàn)證和完善其結(jié)構(gòu)的合理性是非常必要的工作。根據(jù)架橋機(jī)技術(shù)參數(shù)對(duì)牛腿結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)并結(jié)合有限元方法分析其工作狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變，并進(jìn)一步完成了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出牛腿結(jié)構(gòu)的更優(yōu)模型，從而保證了架橋機(jī)整體穩(wěn)定性。

牛腿結(jié)構(gòu) 下行式架橋機(jī) 有限元 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引言

下行式架橋機(jī)由支撐托架及支腿、推進(jìn)小車、液壓設(shè)備、主梁、鼻梁、龍門(mén)吊和節(jié)段懸掛梁組成，本文研究對(duì)象為其核心受力部件牛腿結(jié)構(gòu)，即下部支撐托架部分。該部分結(jié)構(gòu)一般由2個(gè)橫梁和1個(gè)支架組成三角形結(jié)構(gòu)，且連接固定方式一般采用焊接，局部受力大的地方采用法蘭盤(pán)連接，大體結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文需要根據(jù)架橋機(jī)技術(shù)參數(shù)對(duì)牛腿結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，然后結(jié)合有限元方法分析其工作狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變，并進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 牛腿支撐結(jié)構(gòu)

1 主要技術(shù)參數(shù)

架設(shè)方式：?jiǎn)慰绾?jiǎn)支架設(shè)。架設(shè)梁跨：32 m、24 m、20 m等跨及變跨整孔箱梁。梁體起落速度：0～0.5 m/min。吊梁縱移速度：0～3 m/min（重載）；0～6 m/min（空載）。梁體橫向微調(diào)速度：0～0.14 m/min。微調(diào)距離：200 mm。梁體吊裝方式：三點(diǎn)。過(guò)孔方式：架橋機(jī)主機(jī)借助下導(dǎo)梁自行過(guò)孔，自行速度0～3 m/min；主機(jī)用懸臂梁、吊梁行車、輔助支腿和下導(dǎo)梁天車吊運(yùn)下導(dǎo)梁過(guò)孔。外形尺寸：7 m×5 m×4 m。上部結(jié)構(gòu)重量：250 kN/m。最大工作荷載為：370 t。最小曲線半徑為600 m。施工周期為6～9 d。

2 力學(xué)分析

選擇材料為Q245鋼，方剛壁厚為30 mm，得知該鋼材的最大壓應(yīng)力為100.5×106Pa，經(jīng)過(guò)校核得到最大壓應(yīng)力大于許用應(yīng)力，受力分析如圖2所示：

圖2 受力分析圖

3 架橋機(jī)牛腿CAD模型的建立

采用截?cái)嗳侵谓档屯屑芨叨鹊姆桨福ㄒ?jiàn)圖3），不需另外增加穩(wěn)定的支撐點(diǎn)，并將截?cái)嗖糠指闹瞥煞ㄌm聯(lián)接，使支撐托架既滿足低墩又適應(yīng)高墩的需要，讓下行式架橋機(jī)擁有上行式架橋機(jī)的架設(shè)功能。

4 有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 架橋機(jī)牛腿的有限元分析

4.1.1 幾何模型建立 牛腿在建立幾何模型時(shí)，考慮到分析的側(cè)重點(diǎn)及網(wǎng)格劃分的需要，對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)做以下簡(jiǎn)化：①所有的鋼板與鋼板之間的焊接均采用連續(xù)全透焊接，不考慮焊縫材料特性的變化，認(rèn)為焊接處的材料特性與相鄰結(jié)構(gòu)的材料性能相同；②忽略了箱型梁內(nèi)部橫向加強(qiáng)豎板中為減輕重量而割去的小方孔；③忽略兩腹板上空孔邊緣處的橫向筋板；④此外忽略兩端的聯(lián)接螺栓孔。

圖3 牛腿的CAD造型圖

4.1.2 單元類型選擇 牛腿的橫梁是由幾種不同厚度鋼板焊接而成的空間結(jié)構(gòu)，在建立有限元模型時(shí)，選擇solid45實(shí)體單元。

4.1.3 有限元網(wǎng)格劃分 牛腿有限元模型建立過(guò)程中，單元網(wǎng)格劃分采用智能分網(wǎng)和人工網(wǎng)格相結(jié)合的方法。建立的有限元網(wǎng)格劃分模型如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分圖

4.2 架橋機(jī)牛腿結(jié)構(gòu)有限元模型的載荷處理

經(jīng)過(guò)實(shí)體建模、網(wǎng)格劃分得到有限元模型后，進(jìn)入施加載荷階段。ANSYS中要不同形式的施載荷加到模型上，以達(dá)到不同分析的需要。載荷可分為邊界條件和實(shí)際外力兩大類。

根據(jù)各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工程實(shí)際情況的需要，選擇合適的載荷形式和加載方式。在牛腿結(jié)構(gòu)的有限元模型中，載荷按如下方式處理：

4.2.1 牛腿結(jié)構(gòu)的自重 牛腿結(jié)構(gòu)建模過(guò)程中，在前處理模塊中輸入材料的密度，在求解模塊中輸入重力加速度，ANSYS便可根據(jù)所輸入的單元截面形狀、實(shí)常數(shù)等信息自動(dòng)將其處理為分布載荷加載到結(jié)構(gòu)上。

4.2.2 載重力 上部架橋機(jī)工作狀態(tài)下的整機(jī)的重力，可簡(jiǎn)化為集中載荷施加在主導(dǎo)梁的相應(yīng)部位上。

4.3 牛腿結(jié)構(gòu)的有限元數(shù)值分析

按照上述分析和設(shè)計(jì)建立后支腿不利工況下的架橋機(jī)整體力學(xué)計(jì)算模型，運(yùn)用ANSYS計(jì)算軟件中的有關(guān)結(jié)構(gòu)的靜力計(jì)算對(duì)這兩種不利工況下架橋機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力和應(yīng)力的計(jì)算。在計(jì)算時(shí)將兩種工況分別按照起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范中的載荷組合施加載荷與約束，得到圖5與圖6所示變形和內(nèi)應(yīng)力分布云圖。

圖5 整體變形量

圖6 總內(nèi)應(yīng)力分布云圖

根據(jù)應(yīng)力分布和變形云圖可以看出主要變形在橫梁的正上方，故而可以在橫梁的右端進(jìn)行加固，而在兩側(cè)可以進(jìn)行去材，以達(dá)到其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。最大應(yīng)力出現(xiàn)在牛腿下部與橋墩固連部分，所以該處的焊接質(zhì)量需嚴(yán)格保證，避免焊接工藝上的小缺陷導(dǎo)致支撐結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)。

4.4 有限元優(yōu)化結(jié)構(gòu)的過(guò)程和結(jié)果

ANSYS程序提供了一些優(yōu)化工具和方法，本項(xiàng)目選用零階方法使用約束函數(shù)與目標(biāo)函數(shù)逼近的方法求解（見(jiàn)表1）。

表1 優(yōu)化前后尺寸對(duì)比

經(jīng)計(jì)算可知：優(yōu)化后牛腿橫梁的長(zhǎng)、寬、高都減小了10%，截面慣性模量增加6%，壁厚也減少了10%。說(shuō)明材料經(jīng)過(guò)優(yōu)化后得到了合理的分配利用，節(jié)省材料的同時(shí)，提高了力學(xué)性能，大大加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的合理性和生產(chǎn)過(guò)程中的使用性。

5 結(jié)論

本文根據(jù)給定的下行式架橋機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，針對(duì)其核心支撐部件——牛腿結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核，并完成了優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，為后續(xù)的整機(jī)設(shè)計(jì)工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)?！?/p>

[1]趙海峰，蔣迪.A N SY S 8.0工程結(jié)構(gòu)實(shí)例分析[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2004.

[2]尚曉江，邱峰，趙海峰.A N SY S結(jié)構(gòu)有限元高級(jí)分析方法與范例應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

[3]劉國(guó)慶，楊慶東.A N SY S工程應(yīng)用教程[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2003.

2011-06-09