基于ANSYS的1 600t 造橋機(jī)金屬結(jié)構(gòu)有限元設(shè)計(jì)技術(shù)研究

韓林山 李金興 韓永華

（1.華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南鄭州 450000；2.水資源高效利用與保障工程河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南鄭州 450000）

基于ANSYS的1 600t 造橋機(jī)金屬結(jié)構(gòu)有限元設(shè)計(jì)技術(shù)研究

韓林山1，2李金興1韓永華1

（1.華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南鄭州 450000；2.水資源高效利用與保障工程河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南鄭州 450000）

以1 600t造橋機(jī)為研究對(duì)象，基于ANSYS軟件平臺(tái)，采用APDL參數(shù)化語言，實(shí)現(xiàn)造橋機(jī)的建模和有限元計(jì)算。對(duì)造橋機(jī)的分析步驟進(jìn)行總結(jié)，并就遇到的問題提出解決方案，重點(diǎn)研究造橋機(jī)在筑梁及移位過孔行程的極限應(yīng)力曲線規(guī)律。結(jié)果表明，采用參數(shù)化有限元分析方法可以更加全面、準(zhǔn)確地指導(dǎo)造橋機(jī)的設(shè)計(jì)。

ANSYS；造橋機(jī)；有限元法；應(yīng)力

造橋機(jī)也被稱為移動(dòng)模架，是一種利用自身模板進(jìn)行逐孔移動(dòng)澆筑砼梁的施工機(jī)械，被廣泛應(yīng)用于道路施工和橋梁建設(shè)工程。造橋機(jī)的特點(diǎn)是模具經(jīng)過一次現(xiàn)場(chǎng)組裝即可連續(xù)使用，施工效率高，準(zhǔn)確度好，能適應(yīng)多重復(fù)雜工況［1］。

在造橋機(jī)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，大多都依靠工程師的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)造橋機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化驗(yàn)算，依據(jù)初步設(shè)計(jì)生產(chǎn)出樣機(jī)，再進(jìn)行局部調(diào)試，這種利用樣機(jī)試驗(yàn)來指導(dǎo)設(shè)計(jì)的方法存在諸多限制［2］。本文以澆筑砼梁最重為1 600t，最長跨度為43m的造橋機(jī)為研究對(duì)象。根據(jù)工程設(shè)計(jì)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比國內(nèi)外機(jī)型數(shù)據(jù)和有限元分析結(jié)果，使用多單元連接技術(shù)和APDL語言進(jìn)行參數(shù)化建模，利用有限元軟件對(duì)造橋機(jī)的各組成部件進(jìn)行精確建模和擬實(shí)加載。借助有限元分析方法重點(diǎn)研究造橋機(jī)各工況以及整個(gè)架橋機(jī)過孔過程中應(yīng)力的分布情況。

1 造橋機(jī)的有限元分析

依據(jù)某企業(yè)設(shè)計(jì)制造的上行式1 600t移動(dòng)模架造橋機(jī)，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，主要由主梁、導(dǎo)梁、聯(lián)系梁、挑梁、外肋、前后主支腿、前后輔助支腿和其他液壓電器輔助系統(tǒng)等部分組成。

圖1 造橋機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

分析造橋機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，導(dǎo)梁由桁架式導(dǎo)梁和箱型導(dǎo)梁（中間部分挖空）組成，主梁為上下兩層的箱梁結(jié)構(gòu)，可以使用shell63殼單元或者beam188空間梁單元模擬，為了避免應(yīng)力集中，本文采用計(jì)算效率更高、建模更方便的beam188單元，為了使結(jié)構(gòu)更加貼近實(shí)際結(jié)構(gòu)形式，采用自定義截面和變截面；外肋與主梁間的螺紋鋼運(yùn)用link8三維桿單元；混凝土梁則使用solid95實(shí)體單元模擬。建立模型的過程中，忽略連接處的螺栓孔以及其他對(duì)整體結(jié)構(gòu)分析影響不大的細(xì)小部件，假定焊縫處材料特性一致［3］。

1.1 建立造橋機(jī)的有限元模型

對(duì)比分析架橋機(jī)的各種工作狀態(tài)，如無風(fēng)空載澆筑混凝土前，無風(fēng)滿載澆筑混凝土后，考慮風(fēng)載及過孔等各個(gè)工況?？偨Y(jié)后，發(fā)現(xiàn)大部分結(jié)構(gòu)形式是相對(duì)固定的。因此，利用APDL語言單獨(dú)建立造橋機(jī)各組成部分的有限元模型，并利用ANSYS軟件中的模型裝配技術(shù)將各模塊組裝為整體，可以避免模型的重復(fù)搭建，極大地縮短建立和修改模型的時(shí)間。造橋機(jī)有限元分析的流程如下：①分析造橋機(jī)結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)其進(jìn)行適量簡化處理，對(duì)其結(jié)構(gòu)、荷載參數(shù)化；②建立造橋機(jī)有限元模型，采用有限元模型裝配技術(shù)，分別建立造橋機(jī)各個(gè)零部件，然后將各個(gè)零部件進(jìn)行裝配；③施加荷載與邊界條件，并綜合分析ANSYS的計(jì)算結(jié)果。

1.2 有限元分析法的關(guān)鍵問題

1.2.1 模型裝配。造橋機(jī)處于不同工況位置時(shí)，怎樣實(shí)現(xiàn)各個(gè)零部件的快速轉(zhuǎn)換到位。通過采用模型裝配技術(shù)，依靠設(shè)定的位置參數(shù)，可以解決上述問題。即利用APDL語言建立造橋機(jī)各個(gè)組成部分的幾何模型并劃分網(wǎng)格，形成互相獨(dú)立的命令流文件，使用CDWRITE命令，生成各個(gè)部件的CDB文件模型。在整體模型的裝配中，調(diào)用相應(yīng)的CDB文件，并使用移動(dòng)復(fù)制命令或偏移工作面命令將部件模型移動(dòng)到指定位置，便可實(shí)現(xiàn)造橋機(jī)整體模型在ANSYS軟件中的快速組裝，并可通過改變位置參數(shù)，滿足模型在各個(gè)工況下的計(jì)算要求。這樣的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)單個(gè)部件進(jìn)行修改，比如修改截面尺寸、單元尺寸和增添單元等，比較方便，只需要調(diào)用相應(yīng)部件的單個(gè)命令程序修改，而不影響整體裝配。

1.2.2 邊界條件。造橋機(jī)各部件移動(dòng)到位后，如何模擬造橋機(jī)的內(nèi)外部邊界條件。利用位置坐標(biāo)將各個(gè)工況下的邊界條件進(jìn)行統(tǒng)一和整合是比較不錯(cuò)的解決方法。具體思路如下：①外部邊界條件指的是造橋機(jī)各個(gè)支腿相對(duì)于橋墩或混凝土梁表面的固定連接，由于此邊界條件相對(duì)穩(wěn)定，可以采用節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)其統(tǒng)一操作；②內(nèi)部邊界條件指的是各節(jié)主梁、導(dǎo)梁、聯(lián)系梁、挑梁、外肋及各個(gè)支腿間的連接方式，對(duì)于導(dǎo)梁之間及主梁、導(dǎo)梁與各支腿間和挑梁與外肋間的連接，單節(jié)點(diǎn)間的連接采用節(jié)點(diǎn)耦合方式，根據(jù)需要全約束或釋放某方向約束；對(duì)于主梁與箱導(dǎo)梁和主梁與挑梁、聯(lián)系梁因?yàn)槭菃喂?jié)點(diǎn)與多個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接，采用MPC連接技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。利用剛性梁的特性來實(shí)現(xiàn)傳遞力和彎矩的作用。

1.2.3 載荷的計(jì)算。造橋機(jī)澆筑完混凝土梁后，載荷除造橋機(jī)自身質(zhì)量外，還包含外肋上1 600t的混凝土梁。為了合理簡化模型和提高運(yùn)算效率，便將內(nèi)膜及混凝土梁以載荷的形式加載到外肋對(duì)應(yīng)的支撐點(diǎn)上。為了確保外肋各支撐點(diǎn)的載荷分布情況的準(zhǔn)確，單獨(dú)建立混凝土梁的實(shí)體模型，通過MESH200表面網(wǎng)格單元完成網(wǎng)格劃分，依靠控制橫截面單個(gè)單元的尺寸和軸線上單元的個(gè)數(shù)來保證支撐點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，并在相應(yīng)的支撐位置，生成支撐桿，模型如圖2所示，加載后的造橋機(jī)的有限元模型如圖3所示。

圖2 混凝土梁及支撐桿模型

圖3 造橋機(jī)邊界條件及載荷

2 造橋機(jī)的有限元分析結(jié)果

造橋機(jī)能否正常使用及其性能優(yōu)劣主要取決于主梁的設(shè)計(jì)，而主梁的設(shè)計(jì)合格與否可以根據(jù)其有限元仿真結(jié)果來分析。重點(diǎn)討論造橋機(jī)在筑梁施工過程及移位過孔（0～43m）過程中的應(yīng)力分布，為進(jìn)行相關(guān)設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)提供參考。

2.1 造橋機(jī)滿載時(shí)分析結(jié)果

造橋機(jī)完成混凝土澆筑時(shí)是最危險(xiǎn)工況，此時(shí)外肋上裝載整個(gè)混凝土梁，依靠前輔助支腿、前中后主支腿支撐。造橋機(jī)在正常工作狀態(tài)時(shí)，應(yīng)力及變形分別如圖4、5所示。

圖4 造橋機(jī)筑梁滿載應(yīng)力云圖

圖5 造橋機(jī)筑梁滿載變形云圖

造橋機(jī)筑梁滿載時(shí)，最大應(yīng)力為219.3Mpa，使用的材料為Q345B，在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，最大綜合變形量為146.6mm，剛度滿足使用要求。

2.2 造橋機(jī)過孔時(shí)分析結(jié)果

造橋機(jī)過孔時(shí)（0～43m），外肋沿著兩邊挑梁橫向滑移，攜帶內(nèi)膜模板，在液壓油缸的推動(dòng)下，自行過孔移動(dòng)到下一工作位置。在過孔時(shí)（最長43m），各支腿與主梁和導(dǎo)梁的相對(duì)位置不斷發(fā)生變化，前輔助支腿懸空，主要由前后主支腿及后輔助支腿支撐。

在架橋機(jī)過孔到34m時(shí)，造橋機(jī)有最大應(yīng)力，此時(shí)前主支腿位于箱導(dǎo)梁與主梁連接處。具體計(jì)算結(jié)果如圖6、7所示。

圖6 造橋機(jī)過孔（34m）應(yīng)力云圖

圖7 造橋機(jī)過孔（34m）變形云圖

3 結(jié)論

本文通過ANSYS有限元分析軟件，完成對(duì)1 600t移動(dòng)模架的筑梁工況、移位過孔工況的結(jié)構(gòu)仿真分析。通過對(duì)計(jì)算過程的分析可以得出，該設(shè)計(jì)技術(shù)通過APDL語言能夠提高建模效率，可以精確地反映造橋機(jī)在各工況下的力學(xué)性能，為結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)，并為類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究提供參考［4］。該設(shè)計(jì)技術(shù)已得到工程實(shí)踐的驗(yàn)證。

［1］王軍，張建超.我國造橋機(jī)的發(fā)展類型與典型結(jié)構(gòu)［J］.建筑機(jī)械，2010（2）：77-82.

［2］張建超，王軍.造橋機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元仿真分析［J］.圖學(xué)學(xué)報(bào)，2013（7）：98-104.

［3］徐艷平，谷立臣.基于ANSYS的YSZ900t上行式造橋機(jī)導(dǎo)梁有限元分析［J］.建筑機(jī)械，2010（11）：75-78.

［4］韓林山，於進(jìn)，鐘藝謀.基于ANSYS的胎帶機(jī)布料臂架全工況分析［J］.施工技術(shù)，2013（9）：118-121.

Metal Structure Finite Element Design Technology of 1 600t Movable Support System Based on ANSYS

Han Linshan1,2Li Jinxing1Han Yonghua1
（1.School of Mechanical Engineering，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450000；2.Collaborative Innovation Center of Water Resources Efficient Utilization and Guarantee Engineering，Zhengzhou Henan 450000）

In 1 600t Movable Support System as the research object,based on ANSYS software platform,using APDL parametric design language,the modeling and simulation calculations of Movable Support System was realized.The analysis steps of Movable Support System was summarized,and solutions to the problems encountered were proposed, and this paper focused on Movable Support System limit stress curve in the law building beams and shift vias stroke. The result showed that parametric analysis using finite element method could be more fully and accurately guide the design of Movable Support System.

ANSYS；Movable Support System；finite element method；stress

TH122

：A

：1003-5168（2017）01-0032-03

2016-12-19

韓林山（1964-），男，博士，教授，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論；李金興（1990-），男，碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論；韓永華（1990-），男，碩士，研究方向：機(jī)械工程。