基于ANSYS的1 500 t造槽機(jī)有限元分析

摘 要：【目的】作為大型水利渡槽施工設(shè)備，造槽機(jī)在投入使用前需要進(jìn)行強(qiáng)度及剛度校核，以保證施工安全?！痉椒ā恳? 500 t U型造槽機(jī)為研究對象，采用APDL參數(shù)化建模方法，對造槽機(jī)進(jìn)行整體建模。利用ANSYS有限元分析軟件，選取最危險澆筑、過孔工況，對造槽機(jī)進(jìn)行有限元分析計算?！窘Y(jié)果】通過有限元分析得到了在8級風(fēng)澆筑混凝土、6級風(fēng)過孔工況下，整機(jī)的應(yīng)力、位移、屈曲分析結(jié)果以及主梁的應(yīng)力位移變化曲線?！窘Y(jié)論】通過對上述工況下應(yīng)力、位移、屈曲分析結(jié)果的研究，驗證了造槽機(jī)在澆筑工況下，強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均滿足使用要求。同時通過分析主梁在不同距離過孔時的應(yīng)力位移結(jié)果，得出造槽機(jī)主梁存在可優(yōu)化空間，為進(jìn)一步研究造槽機(jī)的主梁優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：造槽機(jī)；有限元仿真分析；APDL；主梁

中圖分類號：TV672.3" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）11-0029-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.11.006

Finite Element Analysis of 1500t Trough Making Machine Based on ANSYS

HAN Linshan WU Chenchen ZHANG Xu

（School of Mechanical Engineering， North China University of Water Resources and Electric Power，

Zhengzhou 450000， China）

Abstract：[Purposes] As a large-scale water conservancy trench construction equipment， the trough making machine needs to be calibrated for strength and stiffness before it is put into use to ensure construction safety.[Methods] In this paper， taking 1500 t U-type slot-making machine as the research object， APDL parametric modelling method is adopted to model the slot-making machine as a whole. Using ANSYS finite element analysis software， the most dangerous pouring and over-hole working conditions are selected to carry out finite element analysis and calculation of the slot-making machine.[Findings]The results of stress， displacement and buckling analyses of the whole machine and the strain-displacement change curves of the main beams were obtained by finite element analysis under the conditions of pouring concrete in class 8 wind and crossing the hole in class 6 wind.[Conclusions] Through the study of the results of stress， displacement and buckling analysis under the above working conditions， it is verified that the strength， stiffness and stability of the groove maker meets the requirements for use under the casting conditions. Meanwhile， by analyzing the results of stress and displacement of main beam at different distances over the hole， it is concluded that there is room for optimization of the main beam of the slot-making machine， which provides a reference for further research.

Keywords： trough making machine; finite element simulation and analysis; APDL; main beam

0 引言

造槽機(jī)在渡槽建設(shè)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值，其是通過參考橋梁移動模架造橋機(jī)的經(jīng)驗而研制的一種渡槽專用大型設(shè)備［1］。該設(shè)備主要用于在河流、湖泊等水域上建造渡槽，對比傳統(tǒng)的施工方法，其能適應(yīng)多種復(fù)雜地形和天氣狀況，從而快速、高效地完成渡槽的施工任務(wù)。此外，造槽機(jī)還具有自動前移功能，可以根據(jù)施工需要調(diào)整位置。并且設(shè)備配備了自帶模板，可以保證渡槽的施工質(zhì)量，確保渡槽的穩(wěn)定性和耐久性。這些優(yōu)良特點使得造槽機(jī)在水利渡槽施工中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 造槽機(jī)結(jié)構(gòu)組成及施工流程

1.1 造槽機(jī)結(jié)構(gòu)組成

本研究設(shè)計的造槽機(jī)為上行式兩跨結(jié)構(gòu)U型造槽機(jī)，可一次澆筑最大重量為1 500 t、跨度42 m的大型渡槽。造槽機(jī)主要由主梁、導(dǎo)梁、挑梁、吊掛外肋、1號固定支腿、2、3、4號活動支腿、外模系統(tǒng)、液壓內(nèi)模系統(tǒng)、端模系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等部分組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 造槽機(jī)施工流程

①整機(jī)設(shè)備開始位于兩墩頂作業(yè)位置，澆筑模式下2、3支腿與墩頂固定支撐。

②完成混凝土養(yǎng)成等流程后，2、3支腿下落脫模，外模系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)開啟準(zhǔn)備過孔。

③啟動2、3支腿縱移油缸整機(jī)前移16 m，此時1號腿到前方墩頂支撐。

④4號腿開始支撐，同時松開3號腿升空并前移一跨至前方墩頂下落重新支撐。

⑤放松2號支腿并前移一跨至前方墩頂支撐，1號腿松開升空。

⑥啟動2、3、4支腿縱移油缸使整機(jī)前移7.5 m，脫空4號腿。

⑦啟動2、3支腿縱移油缸，整機(jī)前移18.5 m，4號腿吊掛前移7.5 m。

⑧2、3支腿調(diào)整重載支撐模式，至此一個工作循環(huán)結(jié)束。

2 造槽機(jī)有限元分析

2.1 有限元模型建立

造槽機(jī)主梁為箱形斷面，導(dǎo)梁為桁架結(jié)構(gòu)，縱橫完全對稱。主梁、挑梁均采用自定義截面，導(dǎo)梁采用變截面。使用beam188梁單元來模擬主梁、導(dǎo)梁、挑梁和外肋結(jié)構(gòu)。外肋與主梁間采用link8桿單元模擬，各主梁間采用高強(qiáng)螺栓連接；混凝土梁使用soild95實體單元模擬。單獨建立各個部件有限元模型，利用CDWRITE命令將各模型保存為CDB文件格式。在裝配時將主梁等部件依次調(diào)入，快速建立造槽機(jī)整體模型。有限元模型如圖2所示。

2.2 載荷施加及約束

分析造槽機(jī)澆筑施工時所受載荷，包括各部件自重載荷、外肋上1 500 t的混凝土梁和8級風(fēng)載荷。各部件自重載荷利用ACEL，9.8，0 的命令進(jìn)行施加。混凝土梁采用單獨建模方式，并將內(nèi)膜系統(tǒng)及混凝土梁的重量以載荷的方式，施加到支撐點上。造槽機(jī)澆筑過程可抗8級風(fēng)載，移位過程可抗6級風(fēng)載。對于風(fēng)載荷以均布載荷的形式施加在主梁、支腿等受風(fēng)面上。

造槽機(jī)的約束條件為在實際施工狀態(tài)下，造槽機(jī)2、3支腿支撐于墩頂，仿真時將支腿與墩頂接觸位置添加約束。對于主梁、導(dǎo)梁等各部件之間的連接，單節(jié)點間采用節(jié)點耦合方式；單節(jié)點與多個節(jié)點間采用MPC連接方式［2］。造槽機(jī)整體載荷施加及約束如圖3所示。

3 造槽機(jī)有限元分析結(jié)果

3.1 造槽機(jī)8級風(fēng)滿載工況強(qiáng)度分析

造槽機(jī)在澆筑施工時可抗風(fēng)力為8級，且考慮到同時澆筑1 500 t混凝土梁為造槽機(jī)最危險工況之一。此時，2、3支腿支撐其整機(jī)等效應(yīng)力及Y向位移云圖如圖4和圖5所示。

采用許用應(yīng)力法對整機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度校核［3-5］見式（1）。

式中：[σs]為材料的屈服極限；[n]為材料的安全系數(shù)；[σ]為材料許用應(yīng)力。

由圖4可知，此時應(yīng)力最大值為210.785 MPa，發(fā)生在外肋底部支撐連接處。此處材質(zhì)為Q355B，許用應(yīng)力[σ]為236.7 MPa，因此澆筑工況下整機(jī)強(qiáng)度滿足使用要求。

3.2 造槽機(jī)屈曲分析

造槽機(jī)整體絕大部分采用鋼結(jié)構(gòu)組成，考慮到鋼結(jié)構(gòu)容易失穩(wěn)，帶來的危害性較大。因此，對造槽機(jī)整體結(jié)構(gòu)完成強(qiáng)度分析后，可利用ANSYS軟件屈曲分析模塊對造槽機(jī)進(jìn)行特征值屈曲分析，前3階模態(tài)對應(yīng)的結(jié)果如圖6至圖8所示。

由圖6至圖8可知，造槽機(jī)整體一階屈曲分析特征值為3.819 66，其值大于2，因此，造槽機(jī)滿足穩(wěn)定性要求。

3.3" 造槽機(jī)過孔時有限元分析

主梁作為造槽機(jī)的主要承重部件之一，對檢驗造槽機(jī)的安全極為重要。因此，過孔時選取主梁部件來分析其應(yīng)力及變形情況。以過孔距離5 m為一工況得出的結(jié)果如圖9和圖10所示。

同一過孔位置出現(xiàn)不同點位是因為此時有換腿過程。如16 m時上方點位為2、3支腿支撐時主梁應(yīng)力值，下方則是2、3、4支腿支撐時主梁應(yīng)力值。

由圖9可知，過孔時主梁應(yīng)力大致分布在25～60 MPa之間，遠(yuǎn)小于許用值236.7 MPa。

對造槽機(jī)主梁剛度進(jìn)行校核時，其主梁撓跨比應(yīng)滿足的條件見式（2）。

[YL≤L/1000] （2）

式中：[L]為跨度；[YL]為Y向變形有限元計算結(jié)果。

由圖10可知，主梁Y向變形最大值的絕對值為30 mm，發(fā)生在2、3支腿支撐過孔23.5 m時；主梁變形小于許用剛度45 mm。綜上所述，在過孔時主梁強(qiáng)度剛度均滿足許用條件，且仍留有較大安全余地。

4 結(jié)論

本研究采用ANSYS有限元軟件，對1 500 t U型造槽機(jī)在危險工況下進(jìn)行了有限元分析，得出如下結(jié)論：①在8級風(fēng)澆筑施工條件下，造槽機(jī)整機(jī)穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足使用要求；②造槽機(jī)在0～43 m移位過孔時，主梁結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度、剛度使用要求；③通過分析主梁應(yīng)力、位移變形結(jié)果可知，主梁存在優(yōu)化空間，為進(jìn)一步研究主梁優(yōu)化提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

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［5］ 史妍妮，呂彭民，梁佳.MSS50雙幅整體澆筑式移動模架力學(xué)性能仿真分析［J］.筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2016，33（11）：98-102.

收稿日期：2024-04-28

作者簡介：韓林山（1964—），男，博士，教授，研究方向：機(jī)械設(shè)計及理論；吳琛?。?997—），男，碩士，研究方向：機(jī)械工程；張續(xù)（2001—），男，碩士生，研究方向：機(jī)械工程。