I-DEAS在架空索道線路支架結構設計中的應用

李 毅，王 宇，劉 靜

(1．吉林電子信息職業技術學院，吉林 吉林 132021;2．吉林機械工業學校，吉林 吉林 132011)

0 前言

隨著我國現代化建設事業的蓬勃發展，客運架空索道作為一種新型而方便的交通工具也日益發展成熟起來。而作為索道重要部件之一的線路支架的安全可靠直接關系到架空索道運輸的安全性。因此，對客運架空索道線路支架進行強度、剛度及穩定性分析已經成為設計、制造的關鍵。

對索道線路支架的強度、剛度進行計算的方法有兩種，一是用實體結構解析法;二是將整個結構簡化為理想的數學模型，用離散化網格代替連續實體結構進行分析計算的有限元法。解析法只能得到局部的應力、位移情況，而無法了解線路支架受載時的整體應力、應變分布規模。因此，設計時，只能根據計算結果加大安全系數。這樣處理，固然安全，但卻大大增加了不必要的材料消耗。有限元法正好克服了解析法存在的問題。因此，本文采用參數化有限元分析法來處理某索道線路支架的計算問題，計算軟件選用大型有限元分析軟件I－DEAS。

1 線路支架有限元模型的建立

本索道地處海拔3400～4400 m之間，線路分為下段和上段，形式均為單線固定抱索器脈動循環式，線路最大運行速度均為4.0 m/s。線路支架由塔柱、橫擔、扶梯等組成，是線路托(壓)索輪組及承載牽引索的安裝基礎和支撐體。14 m以下支架采用單柱圓管結構，超過14 m的支架均采用三柱圓管鋼架結構，下大上小，底部與混凝土基礎的預埋螺栓相聯。本文對索道上段5號三圓柱支架進行分析計算，三圓柱支架主要部件采用的材料為Q235，其實物結構如圖1所示，機械特性見表1。

圖1 三圓柱支架實體結構圖Fig.1 Physical structure mapping of three-column stand

表1 材料機械特性表Table 1 Mechanical characteristic of materials

1.1 線路支架的實體造型

實體建模的過程中，使用多個布爾運算按歷程組成一個龐大的樹形圖，綜合線框模型、實體造型以及高級曲面造型進行實體建模。建立了索道上段5號三圓柱支架的實體模型如圖2所示。

1.2 線路支架的有限元網格處理

由于三圓柱支架結構較為復雜，為了便于網格劃分，本文在結構離散化之前，對線路支架受載較小的局部區域作了一定簡化。在不影響主要結構研究的前提下，對支架做簡化處理:(1)由于支架立柱各段連接處的法蘭采用高強度螺栓連接并進行保護性施焊，故假設支架立柱各段間為剛性聯接，并不考慮結合面及聯接螺栓接觸面的相對變形。即將整個立柱作為一個整體進行分析，如圖3所示。(2)忽略線路支架頭上的護欄以及立柱上的爬梯等附屬件。考慮到支架的主體結構是由細長的空心管裝配成一個整體結構，所以在建立模型時簡化為梁單元，而筋板則簡化為殼單元。

根據以上計算模型的處理方案，按不同部件確定單元材料，同時采用映射網格及自由網格劃分方法。考慮到支架立柱及拉桿較長且規則，故利用映射網格方法，采用六面體實體單元對其進行單元劃分，而對其余形狀不規則的部分，利用自由網格劃分方法，采用四面體實體單元對輸入軸進行有限元網格的自動劃分，如圖4所示。

1.3 線路支架所受載荷

圖4 線路支架整體有限元網格Fig.4 Finite element grid of rout stand

線路支架的受力比較復雜，除自重外，還有兩側承載索產生的作用合力、支架及鋼絲繩所受風力，索道運行過程中，兩側重載和輕載交替出現，因此鋼繩對線路支架會產生附加彎矩。故對于受復雜載荷作用下的支架，如果對所有工況進行分析計算，工作量太大，也無此必要。在某些情況下線路支架受力較小，在實際計算時只對受力較大的工況進行分析計算。根據三圓柱線路支架分別在工作狀態及非工作狀態下承受長度、寬度和高度三個方向集中載荷以及所受風載情況，求解整個系統的應力及變形。三圓柱支架受力工況見表2，受力情況如圖2所示。

表2 線路支架載荷工況表Table 2 Working condition list ofrout stand load

1.4 線路支架的約束及計算模型

本文只對線路支架進行分析，不考慮地基等受力情況。根據實際約束狀況，將索道線路支架的約束加在其底座，將其完全固定。根據六種工況，分別加載。圖5與圖6分別為工況1、工況2加入載荷及位移約束邊界的有限元計算模型。

圖5 工況1的計算模型Fig.5 Calcultion model of working conditionⅠ

2 線路支架的有限元分析結果

利用I-DEAS軟件對計算模型進行有限元分析，結果用軟件中的后處理模塊進行數據整理和圖形顯示。索道線路支架在六種載荷情況下的最大綜合位移、X向位移、Y向位移、Z向位移最大值見表3。

圖6 工況2的計算模型Fig.6 Calcultion model of working conditionⅡ

表3 線路支架最大位移Table 3 Maximum displacement list of rout stand

線路支架在六種工況下的各種應力最大值見表4。綜合表3、表4的結果，綜合位移和等效應力值都在設計許可的范圍里面，而且應力和應變都比較均衡，說明這種三圓柱支架的結構比較合理，是一種值得推廣的線路支架結構。

表4 線路支架應力最大值表Table 4 Maximum values of stress on rout stand

3 結論

從該條索道上段5號三圓柱支架的有限元分析過程和結果可以得出以下結論:

(1)架空索道線路支架的有限元分析對索道系統的設計是非常重要的，其計算結果對設計方案的確定有很大的參考價值。本文對架空索道線路支架的有限元分析方法進行了較為詳細的討論，從力學模型的簡化、工況約束處理等方面提出了切實可行的方法。

(2)從表3六種工況下線路支架的最大位移可以看出:由于采用了三圓柱支架結構，線路支架在各個工況下的綜合位移相差不大。這表明此種支架的優點是對于各種載荷的變形是比較穩定的，這樣大大降低了材料的疲勞破壞，延長了線路支架的使用壽命。

(3)從表4線路支架的等效應力值看出:在工作狀態和非工作狀態下，線路支架的等效應力值分別幾乎相等，這說明了三圓柱線路支架受力比較均衡。而工作狀態和非工作狀態的等效應力值相差并不很大，避免了對鋼絲繩和線路支架的破壞。

［1］ 張繼紅．計算機輔助工程CAE中有限元分析［J］．四川職業技術學院學報，2006，16(3):98－103．

［2］ 孫少軍，張俊紅，程曉鳴．基于計算機輔助工程(CAE)技術的凸輪軸應力分析［J］．現代車用動力，2005(4):14－17．

［3］ 于鈞，王宇．基于ANSYS架空索道塔架的有限元分析計算［J］．重型機械，2010(3):60－63．

［4］ 萬鵬程陳劍．利用CAE方法分析某客車整車共振問題［J］．噪聲與振動控制，2007(1):54－56．