基于ANSYS的桁架式橋梁檢測(cè)車(chē)伸縮臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

孫小軍 王艷輝 崔 哲 李善輝

1.徐州徐工隨車(chē)起重機(jī)有限公司 江蘇徐州 221000; 2.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 河北秦皇島 066000

隨著國(guó)家對(duì)交通建設(shè)投入的逐年增大,我國(guó)橋梁數(shù)量迅速增加［1］。但由于橋梁長(zhǎng)期處于工作狀態(tài),會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)老化以及產(chǎn)生疲勞裂紋［2］。因此,需要定期對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(cè)與維護(hù),這就需要橋梁檢測(cè)車(chē)來(lái)完成。

伸縮臂是橋梁檢測(cè)車(chē)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),除受自身重力外,還承受外加載荷,其設(shè)計(jì)的合理與否直接影響整機(jī)的穩(wěn)定性和安全性［3-4］。因此,在滿足基本臂、伸縮臂大剛度和強(qiáng)度的需求前提下,最大限度降低伸縮臂質(zhì)量是桁架橋梁檢測(cè)車(chē)設(shè)計(jì)生產(chǎn)急需解決的重要問(wèn)題。

為此,建立了8種典型伸縮臂方案有限元模型,運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析,對(duì)該8種方案的最大等效應(yīng)力、最大位移和質(zhì)量進(jìn)行比較,以確定伸縮臂結(jié)構(gòu)最優(yōu)方案。

1 伸縮臂有限元分析

1.1 伸縮臂結(jié)構(gòu)介紹

某型號(hào)桁架式橋梁檢測(cè)車(chē),其結(jié)構(gòu)主要包括底盤(pán)、轉(zhuǎn)臺(tái)、主臂、連接架、垂直臂、二回轉(zhuǎn)、基本臂及伸縮臂等,如圖1所示。

圖1 桁架式橋梁檢測(cè)車(chē)結(jié)構(gòu)示意圖

工作平臺(tái)包括基本臂與伸縮臂,伸縮臂通過(guò)滑塊和滑道與基本臂連接,通過(guò)拖鏈驅(qū)動(dòng)完成伸縮臂的伸縮動(dòng)作。由于桁架結(jié)構(gòu)具有輕盈、跨度范圍大等優(yōu)點(diǎn),所以伸縮臂采用桁架結(jié)構(gòu)。桁架伸縮臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案非常豐富,其中比較典型的8種結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 8種伸縮臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案示意圖

1.2 伸縮臂有限元分析模型

為保證伸縮臂計(jì)算的準(zhǔn)確性,選取上車(chē)結(jié)構(gòu)作為整體進(jìn)行有限元分析。分析工況為橋梁檢測(cè)車(chē)工作時(shí)最危險(xiǎn)工況,即主臂變幅30°,二回轉(zhuǎn)變幅60°,伸縮臂伸出5600mm,基本臂和伸縮臂施加600kg均布載荷。結(jié)構(gòu)件均采用solid186單元。伸縮臂有限元分析模型如圖3 所示。

圖3 伸縮臂分析整機(jī)有限元模型

該橋梁檢測(cè)車(chē)轉(zhuǎn)臺(tái)、主臂、連接架的材料均選用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q690,垂直臂和二回轉(zhuǎn)的材料均選用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q550,基本臂和伸縮臂的材料均選用7005鋁管,取結(jié)構(gòu)件安全系數(shù)n=2.75。各部件材料屬性如表1所示。

2 有限元分析結(jié)果

該型號(hào)橋梁檢測(cè)車(chē)在最危險(xiǎn)工況下方案d整機(jī)位移分析結(jié)果如圖4所示。其中伸縮臂臂頭最大位移為354mm。

表1 材料性能參數(shù)

圖4 方案d整機(jī)位移云圖

方案d伸縮臂等效應(yīng)力如圖5所示。

圖5 方案d伸縮臂等效應(yīng)力云圖

由圖5可以看出,方案d最大等效應(yīng)力位于基本臂滑塊與伸縮臂接觸的地方,通過(guò)其他方案的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)伸縮臂最大應(yīng)力均位于此處。

該型號(hào)桁架式橋梁檢測(cè)車(chē)伸縮臂8種方案計(jì)算結(jié)果如表2所示。

從表2可見(jiàn),該型號(hào)桁架式橋梁檢測(cè)車(chē)8種方案伸縮臂臂頭最大位移位于354～372mm之間,其中方案c和方案d位移最小。從最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可以看出,較好方案有方案f、b和d。通過(guò)對(duì)比該8種方案的質(zhì)量,可見(jiàn)方案c和方案d的質(zhì)量最小。

基于以上對(duì)某型號(hào)桁架式橋梁檢測(cè)車(chē)8種方案伸縮臂計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,綜合考慮最大位移、最大應(yīng)力以及質(zhì)量這3種因素,發(fā)現(xiàn)方案c和d最大位移最小且質(zhì)量幾乎一樣,但方案d最大應(yīng)力相對(duì)于方案c減小15.8%。方案f雖最大應(yīng)力較d小,然而方案d剛度優(yōu)于方案f,且方案d質(zhì)量相對(duì)于方案f質(zhì)量減輕10.1%。因此,選取方案d為桁架式橋梁檢測(cè)車(chē)伸縮臂的最優(yōu)方案。

表2 8種方案計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

通過(guò)ANSYS軟件提供的APDL參數(shù)化建模語(yǔ)言,建立了某型號(hào)橋梁檢測(cè)車(chē)伸縮臂8種不同方案有限元分析模型,并進(jìn)行了分析。綜合比較了不同方案的位移、等效應(yīng)力和伸縮臂質(zhì)量,最終選擇了最優(yōu)設(shè)計(jì)方案d。