基于有限元的管帶輸送機(jī)桁架護(hù)欄新結(jié)構(gòu)的分析

花福志

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

圓管狀帶式輸送機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)管帶機(jī)）的研發(fā)源自20世紀(jì)70年代的日本，是在常規(guī)帶式輸送機(jī)的基礎(chǔ)上演變而來(lái)的一類(lèi)全新散裝物料傳輸技術(shù)，它可以實(shí)現(xiàn)散裝物料的封閉式傳輸，具有輸送線(xiàn)路能夠沿空間曲線(xiàn)布置和大角度傾斜布置的優(yōu)勢(shì)，而且環(huán)保性較高[1]。圓管狀帶式輸送機(jī)的工作原理與常規(guī)帶式輸送機(jī)基本相同，都是通過(guò)摩擦驅(qū)動(dòng)使輸送帶帶著物料遷移，但也有一些不同之處，例如圓管狀帶式輸送機(jī)采用按一定距離規(guī)劃的正六邊托輥組把輸送帶卷成圓管狀，將散狀物料包裹起來(lái)傳輸，即圓管狀帶式輸送機(jī)在尾部過(guò)渡段接收物料后，逐漸將輸送帶卷成圓管狀后進(jìn)行封閉傳輸，直至頭部過(guò)渡段再逐步展開(kāi)成平形，最終完成卸料。圓管狀帶式輸送機(jī)的中間輸送帶部分是通過(guò)托輥組把輸送帶卷成圓管狀，將物料包裹密閉傳輸，不會(huì)出現(xiàn)飛揚(yáng)、散落的情況，并且能夠預(yù)防外部雜物混入傳輸物料，規(guī)避傳輸?shù)奈锪显獾接炅芑蛘呤侨諘竦炔豢杀苊獾膫?；由于回程分支傳輸帶也為圓管狀，因此不必?fù)?dān)心在傳輸帶上的物料在傳輸路途中掉落，實(shí)現(xiàn)了無(wú)害化傳遞。此外，不需要在沿途設(shè)置封閉結(jié)構(gòu)防止物料灑落污染環(huán)境。圓管狀帶式輸送機(jī)密閉式的輸送，既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸方式，將成為環(huán)保、清潔輸送工程的必然選擇[2]。

在實(shí)際工程使用中，幾千米長(zhǎng)的管帶機(jī)通常要布置許多段桁架。為了保障管帶機(jī)的日常運(yùn)行維護(hù)，則需在桁架兩側(cè)設(shè)置檢修走道，而為了滿(mǎn)足《固定式鋼梯及平臺(tái)安全需求》（GB4053.3-2009），還必須在檢測(cè)維修走廊的外側(cè)安裝安全欄桿，也被稱(chēng)之為護(hù)欄。

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了提升欄桿的強(qiáng)度，同時(shí)滿(mǎn)足欄桿剛度需求，將護(hù)欄豎桿設(shè)計(jì)焊接在走廊的支撐型鋼架中，使護(hù)欄豎桿不能統(tǒng)一設(shè)置間距，如圖1所示。但這樣就造成每個(gè)不同桁架的護(hù)欄不一樣，增加了護(hù)欄種類(lèi)，每種護(hù)欄都需要單獨(dú)設(shè)計(jì)制作圖，從而增加了出圖量，并且因?yàn)樽o(hù)欄的種類(lèi)繁多而增加施工安裝的負(fù)擔(dān)。為了促使欄桿的設(shè)計(jì)及加工通用標(biāo)準(zhǔn)化，降低欄桿類(lèi)型，即不管桁架是否相同，每個(gè)桁架走道上的護(hù)欄均可只用一種護(hù)欄。本設(shè)計(jì)方案提出將欄桿豎桿直接安裝焊接到走道角鋼上，不需安裝焊接在走道的支撐型鋼上，使所有護(hù)欄豎桿都能等間距設(shè)計(jì)，方案如圖2所示。但經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)，該方案只需要很小的推力就會(huì)引起護(hù)欄很大的變形和擺動(dòng)，無(wú)法滿(mǎn)足使用要求。雖然加大走廊角鋼型號(hào)可以銳減欄桿的變形與擺動(dòng)，但是過(guò)量加重走廊角鋼型號(hào)也會(huì)喪失這一設(shè)計(jì)方案的性?xún)r(jià)比。

圖1 常規(guī)設(shè)計(jì)的護(hù)欄

圖2 通用化設(shè)計(jì)的護(hù)欄

根據(jù)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算及工程實(shí)際運(yùn)用后反饋，用角鋼L63×8作為走道角鋼的通用護(hù)欄，護(hù)欄剛度可以滿(mǎn)足使用要求。通過(guò)有限元分析也佐證了這種結(jié)構(gòu)的剛度符合使用要求。目前，用角鋼L63×8作為走道角鋼的通用化護(hù)欄已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但是由于該結(jié)構(gòu)的走道角鋼需采用角鋼L63×8，比原來(lái)的走道角鋼L63×6重，經(jīng)濟(jì)性不夠理想，因此利用有限元分析的方法，研究既能滿(mǎn)足使用要求又具有較高經(jīng)濟(jì)性的護(hù)欄新結(jié)構(gòu)是必要的。

1 有限元分析法概述

有限元分析法是20世紀(jì)50年代基于電子計(jì)算機(jī)發(fā)展而演變而來(lái)的一類(lèi)求解數(shù)理方程的數(shù)值計(jì)算方式，是處理項(xiàng)目具體問(wèn)題的一類(lèi)高效數(shù)值計(jì)算方式。該方法是將彈性理論、計(jì)算數(shù)字與計(jì)算軟件充分融合所形成的一類(lèi)數(shù)值分析技術(shù)，因?yàn)檫@一方法的科學(xué)性、高效與迅速，促使其不斷進(jìn)步成為求解各個(gè)范疇數(shù)理方程的一類(lèi)科學(xué)近似計(jì)算方式。

有限元分析的基礎(chǔ)規(guī)律是以構(gòu)架力學(xué)中的遷移法為根基，將要探討的連續(xù)體劃分為有限個(gè)單元的組成體，各單元僅在節(jié)點(diǎn)區(qū)域連接。有限元分析優(yōu)先對(duì)單元特征開(kāi)展探討，緊接著參考各個(gè)單元在節(jié)點(diǎn)區(qū)域的穩(wěn)定與協(xié)調(diào)要素，構(gòu)建節(jié)點(diǎn)遷移與節(jié)點(diǎn)力之間的聯(lián)系方程，獲得節(jié)點(diǎn)遷移分量，從而獲得節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變與應(yīng)力。假如單元符合問(wèn)題的收斂性需求，那么隨著單元規(guī)格的降低，解的近似水平將不斷優(yōu)化，近似解最終收斂于準(zhǔn)確解。給這些單元編制邊界要素、載荷等，再采用計(jì)算機(jī)對(duì)其遷移矩陣、剛度矩陣開(kāi)展核算解析，將獲得的解析解通過(guò)表達(dá)式體現(xiàn)出來(lái)。對(duì)常規(guī)的線(xiàn)性靜力學(xué)分析，其基本平衡方程如下：

式（1）中，[K]是由全部的單元?jiǎng)偠染仃嚱M成的總剛度矩陣；{u}是節(jié)點(diǎn)位移列陣；{F}是按照節(jié)點(diǎn)編號(hào)順序形成的節(jié)點(diǎn)載荷列陣。

在科學(xué)技術(shù)范疇中，對(duì)鋼構(gòu)架的諸多力學(xué)問(wèn)題以及物理難題，民眾已經(jīng)獲得了其應(yīng)當(dāng)遵從的基本方程與相應(yīng)解析要素?？墒悄軌蛲ㄟ^(guò)解析方式獲得精準(zhǔn)解的只是少部分方程，這些方程性質(zhì)較為單一且存在鋼構(gòu)架的幾何形狀較為規(guī)整的問(wèn)題。對(duì)于大部分煩瑣的鋼構(gòu)架問(wèn)題，因?yàn)榫邆浞蔷€(xiàn)性，解決區(qū)域幾何形狀較為艱難，所以無(wú)法獲得解析解。隨著數(shù)學(xué)工具越發(fā)豐富，研究人員采用了另一類(lèi)方式——數(shù)值方式，也就是有限單元法，它是一類(lèi)至關(guān)重要的數(shù)值方式。40年以來(lái)，有限單元分析法的運(yùn)用已經(jīng)從彈性力學(xué)平面問(wèn)題延伸至空間難題、板殼問(wèn)題。因?yàn)殪o力平衡難題拓展至穩(wěn)定性問(wèn)題、動(dòng)力問(wèn)題以及波動(dòng)難題，探討的對(duì)象從彈性力學(xué)延伸至塑性、黏彈性、塑料性以及符合材質(zhì)等。這對(duì)鋼構(gòu)架的力學(xué)以及物理難題的精準(zhǔn)解提供了幫助。

近幾十年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，一大批專(zhuān)業(yè)有限元計(jì)算軟件誕生，著名的有限元分析軟件有ANSYS、ABAQUS、 NASTRAN、 LS-DYNA、 MARC、 ADINA等，它們各具特色，為計(jì)算機(jī)仿真行業(yè)的發(fā)展發(fā)揮了重要作用。隨著時(shí)代發(fā)展，部分軟件逐漸退出舞臺(tái)，目前在商業(yè)領(lǐng)域工程運(yùn)用占有率最高的主要是ANSYS和ABAQUS兩款軟件。

ANSYS和ABAQUS兩種軟件都是專(zhuān)業(yè)的有限元計(jì)算軟件，在全球范疇內(nèi)均具備廣泛的客戶(hù)群體。ANSYS較早進(jìn)入我國(guó)，軟件在側(cè)重線(xiàn)性分析的客戶(hù)群體中廣受認(rèn)可，其在計(jì)算機(jī)資源的運(yùn)用、用戶(hù)界面研發(fā)等方面均有著不小的價(jià)值與作用。ABAQUS軟件則側(cè)重更煩瑣和更有挑戰(zhàn)性的項(xiàng)目，經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展，在諸多領(lǐng)域均能夠通過(guò)其開(kāi)展仿真探討剖析，這一軟件側(cè)重非線(xiàn)性力學(xué)探討。ABAQUS軟件突出的非線(xiàn)性剖析能力在規(guī)劃與探討的高端客戶(hù)群體中得到了大家的廣泛認(rèn)同，也廣泛應(yīng)用在航天航空等高難項(xiàng)目上。ABAQUS軟件的另外一大優(yōu)勢(shì)是具備突出的前處理能力，有助于研究人員迅速構(gòu)建模型以獲得精準(zhǔn)成果。

ABAQUS被大家認(rèn)同為是功能最突出的有限元軟件，能夠剖析煩瑣的固體力學(xué)構(gòu)架系統(tǒng)，尤其是可以駕馭非常龐大煩瑣的問(wèn)題與模仿高度非線(xiàn)性難題。ABAQUS不僅能夠?qū)崿F(xiàn)單一零碎的力學(xué)與多物理場(chǎng)的探討，并且還能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)級(jí)別的探討與剖析。ABAQUS的系統(tǒng)級(jí)別剖析的特征相較于其他的剖析軟件而言是獨(dú)一無(wú)二的。其能夠處理從較為簡(jiǎn)單的線(xiàn)性剖析到富含挑戰(zhàn)性的非線(xiàn)性模擬等各類(lèi)難題。ABAQUS有著豐富多樣的單元庫(kù)，能夠模仿任何具體形狀。ABAQUS也有著較為多樣的材料庫(kù)，能夠模擬大部分經(jīng)典項(xiàng)目材質(zhì)的能力，囊括金屬、橡膠、聚合物、復(fù)合材料、鋼筋混凝土、可壓縮泡沫及土壤巖石等。作為一種通用的模擬工具，應(yīng)用ABAQUS不僅能夠接近結(jié)構(gòu)分析（應(yīng)力位移）問(wèn)題，而且能夠研究熱傳導(dǎo)、質(zhì)量擴(kuò)散、電子元器件的熱控制（熱-電耦合分析）、聲學(xué)、土壤、壓電分析等廣闊領(lǐng)域中的問(wèn)題。

由于ABAQUS優(yōu)秀的分析能力和模擬復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性使得ABAQUS在各國(guó)的工業(yè)和研究中廣泛的應(yīng)用，ABAQUS產(chǎn)品在大量的高科技產(chǎn)品研究中都發(fā)揮著巨大的作用。本次采用基于有限元軟件ABAQUS的分析方法對(duì)新結(jié)構(gòu)護(hù)欄進(jìn)行分析。

表1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)置

2 繪制仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

2.1 模型假設(shè)

以某管帶機(jī)某段直線(xiàn)桁架為例，護(hù)欄按照通用化護(hù)欄形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，即護(hù)欄的豎桿全按等間距1 000 mm布置，不用考慮走道支撐槽鋼間距；護(hù)欄的豎桿采用直徑為33.5 mm的焊接管；根據(jù)規(guī)范要求設(shè)置護(hù)欄高度1 200 mm；走道的兩支撐槽鋼（即走道支撐型鋼）間距按1 900 mm布置；走道角鋼采用L63×6；槽鋼與走道角鋼相接觸的部分寬度為48 mm（如圖3所示）。

圖3 模型圖 （單位：mm）

對(duì)模型進(jìn)行如下假設(shè)：一是假設(shè)支撐槽鋼為剛體，假設(shè)豎桿為33 mm寬的剛體；二是假設(shè)走道角鋼與支撐槽鋼之間的焊接是理想的焊接形式；三是不考慮鋼格板對(duì)走道角鋼的加強(qiáng)作用[3]。

2.2 繪制模型

在ABAQUS/CAE中按上述尺寸繪制1 900 mm長(zhǎng)的模型，模型只需要繪制走道角鋼、支撐槽鋼、護(hù)欄豎桿3個(gè)部分。

（1）現(xiàn)行的用角鋼L63×8作為走道角鋼的通用化護(hù)欄模型如圖4所示。

圖4 用角鋼L63×8作為走道角鋼的護(hù)欄模型

（2）新結(jié)構(gòu)：走道角鋼采用角鋼L63×6，且將外側(cè)走道角鋼改為朝下放置，這樣可以將需要仰焊的位置改為俯焊，降低施工難度另外設(shè)置一塊t2的折彎鋼板（圖中箭頭所指）聯(lián)接內(nèi)外兩側(cè)的走道角鋼，一端焊接在外側(cè)走道角鋼中間位置（焊兩個(gè)位置），另一端焊接在內(nèi)側(cè)走道角鋼下端面（焊一個(gè)位置），三維模型如圖5所示。

圖5 新結(jié)構(gòu)護(hù)欄的模型

輸入鋼材材料的模型數(shù)據(jù)，完善泊松比、彈性模量等數(shù)據(jù)。設(shè)立邊界條件：走道支撐槽鋼與走道角鋼的焊接處定義為固定邊界，并且考慮護(hù)欄豎桿按等距隨機(jī)布置后會(huì)出現(xiàn)的最不利情況，即護(hù)欄兩相鄰豎桿在最靠近中間位置時(shí)的情況。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在每個(gè)豎桿頂端施加200 N的水平推力。測(cè)量豎桿上端頭的位移量來(lái)判定護(hù)欄的剛度[4]。

2.3 建立實(shí)驗(yàn)分組

為了判斷新結(jié)構(gòu)的可行性，將新結(jié)構(gòu)通過(guò)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)行的通用化結(jié)構(gòu)對(duì)比，故設(shè)置了兩種結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)對(duì)照。1號(hào)模型為現(xiàn)行的走道角鋼L63×8通用化護(hù)欄結(jié)構(gòu)；2號(hào)模型為新通用化護(hù)欄結(jié)構(gòu)，采用走道角鋼L63×6加t2折彎板。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

計(jì)算處理結(jié)果如圖6、圖7所示，在水平力的作用下，走道角鋼產(chǎn)生了扭曲變形。走道角鋼與支撐槽鋼固定位置的應(yīng)力較大。讀取該處走道角鋼應(yīng)力值和豎桿頂部的位移量，得出的結(jié)果見(jiàn)表2。

圖6 現(xiàn)行結(jié)構(gòu)角鋼L63×8實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7 新結(jié)構(gòu)角鋼L63×6（加聯(lián)接板）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，新結(jié)構(gòu)豎桿頂位移比現(xiàn)行結(jié)構(gòu)的略有減少，減少了3.82%，剛度是完全可以滿(mǎn)足使用要求的。而新結(jié)構(gòu)每米重量比現(xiàn)行結(jié)構(gòu)的輕，約輕了12.84%，經(jīng)濟(jì)性較為突出[5-6]。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比得出：新結(jié)構(gòu)護(hù)欄既能滿(mǎn)足使用要求又有較高經(jīng)濟(jì)性，因此新結(jié)構(gòu)護(hù)欄可以取代現(xiàn)行角鋼L63X8作為走道角鋼時(shí)的護(hù)欄。后續(xù)將該實(shí)驗(yàn)成果應(yīng)用到管帶輸送機(jī)桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安裝中，不僅為項(xiàng)目節(jié)省物料成本，同時(shí)將繼續(xù)研究在項(xiàng)目中的實(shí)用性。