新型多級旋轉(zhuǎn)布料機應(yīng)用研究

陶 標

(江西省水利水電建設(shè)有限公司，南昌 330025)

1 概 述

隨著水利工程建設(shè)項目逐年增多，其施工設(shè)備工作效率與適用范圍成為施工進度的制約因素?；炷敛剂蠙C作為水利工程建設(shè)中關(guān)鍵設(shè)備[1]，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工環(huán)境復(fù)雜，載荷情況復(fù)雜。江西省某水電站施工時，利用新型混凝土布料機，該布料機具有布料范圍大、靈活性高的特點。新型混凝土布料機與傳統(tǒng)布料機相比，組合工況多、荷載情況復(fù)雜。研究新型布料機在多種工況的應(yīng)用狀態(tài)，利于該布料機的推廣應(yīng)用。

本文以新型布料機在江西省某水利工程建設(shè)中應(yīng)用為研究載體，借助ANSYS有限元分析軟件，利用APDL參數(shù)化建模方式編制程序完成布料機結(jié)構(gòu)建模。探究多級旋轉(zhuǎn)布料機全工況情形下各個結(jié)構(gòu)的極限應(yīng)力與極限位移分布情況，尋找布料機關(guān)鍵風(fēng)險部位，對其結(jié)構(gòu)進行改進優(yōu)化，以新型布料機在水利工程中的推廣應(yīng)用為目標。

2 布料機有限元模型搭建

2.1 布料機結(jié)構(gòu)介紹

布料機一般分為4個部分，依次為內(nèi)臂架、外臂架、爬升平臺、立柱[2-3]。內(nèi)基本臂架與外基本臂架旋轉(zhuǎn)范圍分別為270°與360°。內(nèi)基本臂架與外基本臂架長度依次為22.5與15.5 m，連接兩者的伸縮臂架長度是24.8 m。整個臂架結(jié)構(gòu)借助爬升平臺與立柱連接，立柱固定在地面上。立柱構(gòu)成結(jié)構(gòu)主要為若干300 cm高度的立柱節(jié)。除此以外，借助爬升平臺可以完成整個臂架結(jié)構(gòu)高度變化?；诠こ虒嵺`應(yīng)用，本文將爬升平臺離地高度設(shè)定為14.8 m。布料機基本結(jié)構(gòu)布局圖見圖1。

圖1 布料機基本結(jié)構(gòu)布局圖

2.2 有限元模型參數(shù)介紹

借助有限元軟件ANSYS完成新型布料機有限元模型搭建工作，模型桁架結(jié)構(gòu)全部選擇beam186單元進行模擬，爬升平臺的箱型結(jié)構(gòu)與桁架上的加強板選擇shell183單元，預(yù)應(yīng)力鋼索選擇link182單元[4]。

因回轉(zhuǎn)支承系統(tǒng)與其他結(jié)構(gòu)相比，剛度強度都較高，所以簡化回轉(zhuǎn)支承系統(tǒng)，與其它結(jié)構(gòu)件固結(jié)，忽略小孔與焊縫，使模型更加簡化。

依照布料機現(xiàn)場安裝情形，將立柱底部4個支點采取全自由度約束的方式。基于物料運輸與減速工程中產(chǎn)生振動，干擾金屬結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，將除風(fēng)載外的其它荷載沖擊系數(shù)設(shè)定值1.2。為了分析布料機在極端狀況下的工作，將布料機工況設(shè)定成堵料情形，同時布料機兩側(cè)懸掛的橡膠溜管堵料質(zhì)量最大值設(shè)定為400 kg，并將其和椎管質(zhì)量涵蓋到伸縮臂前端，風(fēng)載參考相關(guān)規(guī)范完成計算[5]，將計算值整理成表1。

表1 布料機所承受載荷值匯總

風(fēng)載的方向以最差工況情況下按照布料機背側(cè)指向前側(cè)的方向給定。由于臂架在轉(zhuǎn)動時極易被立柱與爬升平臺遮擋，所以設(shè)置程序代碼將指定風(fēng)載施加到未被遮擋的臂架節(jié)點處，布料機受載模型見圖2。

圖2 布料機在某工況情形下受載示意圖

2.3 多種工況下有限元模型搭建

由于單一工況對布料機分析存在缺陷，所以搭建布料機全工況有限元模型，完成相應(yīng)分析。因為布料機結(jié)構(gòu)和布料范圍全部是以俯視平面中心線為軸成鏡像，所以本文僅以內(nèi)基本臂架在軸線左側(cè)區(qū)間運行狀態(tài)為例進行研究分析，右側(cè)不做贅述。設(shè)定內(nèi)基本臂架和水平方向中線夾角α的角度范圍是0°～120°之間；設(shè)定外基本臂架和水平方向中線夾角β的角度范圍是-180°～+180°，當(dāng)模擬正向布料時將伸縮臂架對于外基本框架伸出長度m取值最大，當(dāng)模擬反向布料時將伸縮臂架對于外基本框架伸出長度m取值最小。詳細結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

圖3 布料機旋轉(zhuǎn)情形示意圖

充分將工程實踐情形和計算機功能限制兩個方面綜合考量，分別把α與β的可行域均分為12份與24份、每一個子區(qū)間的端點視為一個工況，當(dāng)外基本臂架旋轉(zhuǎn)完一個周期后，內(nèi)基本臂架工況發(fā)生一次改變。所以，布料機在正反向布料可以獲得相應(yīng)的325種工況情形。

利用APDL參數(shù)化設(shè)計語言，以α、β、m為設(shè)計參數(shù)編制新型布料機各種工況情形下的參數(shù)化模型。本文設(shè)計的代碼可以完成布料機結(jié)構(gòu)所有工況情形下的靜力學(xué)計算，同時可以計算值展示所映射的工況情形下布料機整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最高數(shù)值，并且顯示應(yīng)力最高值對應(yīng)的結(jié)構(gòu)部位編號等信息。

3 布料機全工況研究

利用布料機全工況參數(shù)化模型分析代碼的計算分析，獲得布料機在正向與反向布料情況下全工況時應(yīng)力最高值具體布局位置，分別見圖4與圖5。規(guī)定布料機全工況應(yīng)力最高值是其極限應(yīng)力，同理位移最高值是其極限位移。正向布料的情況，極限應(yīng)力值顯示306.8 MPa，對應(yīng)的工況為165(圖6)，相應(yīng)α、β的角度值分別是94.8°和-90.2°，極限應(yīng)力位置是立柱和爬升平臺的銜接處，見圖7。極限位移值是1 648 mm，對應(yīng)的工況為135(圖8)，相應(yīng)α、β的角度值分別是80°和-90.1°，極限位移位置是外基本臂架配重端。反向布料情形，極限應(yīng)力值是312.6 MPa，對應(yīng)的工況為154，極限應(yīng)力位置是立柱和爬升平臺銜接部位；極限位移值是2 060 mm，對應(yīng)的工況為154，極限應(yīng)力位置是外基本臂架配重端。

圖4 正向布料布料機應(yīng)力值最高值分布圖

圖5 反向布料布料機應(yīng)力值最高值分布圖

圖6 工況165應(yīng)力分布熱力示意圖

圖7 工況165極限應(yīng)力分布位置示意圖

圖8 工況135位移分布示意圖

當(dāng)反向布料情形時，應(yīng)力、位移極限值全部發(fā)生在工況154，并且應(yīng)力、位移最高值均出現(xiàn)在外基本臂架配重端，即可得到工況154點與其附近區(qū)域是布料機的危險工況。在工程優(yōu)化設(shè)計時，應(yīng)對此區(qū)域的布料機工作情況實時監(jiān)管，重點關(guān)注。

分析圖5與圖6極限應(yīng)力布局圖不難得到，布料機在正反向布料時，其應(yīng)力最高值的布局大致相同，除此之外因在工程實踐時正向布料應(yīng)用概率遠大于反向布料，所以選擇正向布料為研究對象進行分析。

為了深度探析極限應(yīng)力值與臂架轉(zhuǎn)角值之間的函數(shù)變化規(guī)律，特設(shè)定布料的α角度值保持不變情況下，布料機應(yīng)力高值與β角度值兩者之間的變化趨勢圖，具體見圖9。

圖9 極限應(yīng)力值與臂架轉(zhuǎn)角值之間的函數(shù)變化規(guī)律趨勢圖

分析圖9中曲線變化趨勢不難看出，當(dāng)α角度值偏低時，改變β角度值，布料機應(yīng)力最高值基本上以β零刻度線為中心軸線呈現(xiàn)對稱式，并且應(yīng)力最高值變化范圍小。當(dāng)相同α角度時β角度值圍繞0°與180°周圍時，布料機的應(yīng)力高值較小。在相同β角度值時，應(yīng)力高值與α角度值先呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，在94.8°附近達到最大值后與α角度值呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系。β角度值在-90°時，布料機應(yīng)力最高值增長較快，并與α角度值增幅呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)α角度值為94.8°時達到最高值后隨α角度增大而減小。

綜上所述，布料機的全工況極限應(yīng)力、位移值和內(nèi)基本臂架、外基本臂架的相對位置關(guān)系緊密相關(guān)。若內(nèi)基本臂架偏轉(zhuǎn)角度α數(shù)值較低時，布料機應(yīng)力最高值較小，并且基本不受外基本臂架偏轉(zhuǎn)角β角度值的影響。若內(nèi)基本臂架偏轉(zhuǎn)角度α數(shù)值較大時，布料機應(yīng)力最高值增加，并且影響程度加大。若α角度值為94.8°左右時，布料機應(yīng)力最高值達到最大，若β角度值為-90°左右時，布料機的整機應(yīng)力高值是所有工況下的最大值。

4 布料機結(jié)構(gòu)分析

為了提升施工效率，對布料機結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，深入探究布料機主要結(jié)構(gòu)件在所有工況時的受力狀況，見表2。

表2 布料機各個部件具體極限應(yīng)力值匯總表

參考表2內(nèi)應(yīng)力數(shù)據(jù)，改變布料機的型狀與材質(zhì)，為了提升布料機整體強度，重點加大內(nèi)柱與內(nèi)基本臂架結(jié)構(gòu)截面面積。為了減小總體生產(chǎn)資金，可通過縮減外基本臂架和伸縮臂架結(jié)構(gòu)截面面積的方式。考慮到內(nèi)基本臂架主梁型材偏大，所以選擇在型材頂面設(shè)置槽鋼的方式來提升結(jié)構(gòu)強度。詳細的優(yōu)化調(diào)整方案見表3。

表3 布料機優(yōu)化調(diào)整方案表

對布料機優(yōu)化調(diào)整后，再次測定其全工況下極限應(yīng)力值與極限位移值，并與布料機未優(yōu)化調(diào)整前的各值相比較，得到結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化后極限應(yīng)力值從306.8 MPa減小至240.8 MPa，極限位移值從1 648 mm減小至1 360 mm。

5 結(jié) 語

本文重點研究新型布料機的應(yīng)用情況，以江西省某水利工程建設(shè)為研究載體，借助ANSYS有限元分析軟件，利用APDL參數(shù)化建模方式編制程序完成布料機結(jié)構(gòu)建模。對多級旋轉(zhuǎn)布料機全工況情形下各個結(jié)構(gòu)的極限應(yīng)力與極限位移分布情況進行分析，找到多級旋轉(zhuǎn)布料機風(fēng)險控制點后對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，為新型布料機的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。