新型20m橋梁檢測車的行走支腿結構接觸有限元分析

沈意平，王送來，何福泉

（1.湖南科技大學 機械設備健康維護省重點實驗室，湖南 湘潭 411201；2.湖南恒潤高科有限公司，湖南 湘潭 411202）

0 引言

近些年來，隨著我國經濟和交通建設的飛速發展，公路橋梁的數量和延長米也在迅速增加，公路橋梁設施的檢測與維護已成為當務之急。橋梁檢測車是一種可以為橋梁檢測人員在檢測過程提供作業平臺，用于流動檢測和維修作業的專用車。它可以隨時移動位置，能安全、快速、高效地讓作業人員進入作業位置，其技術含量高，涉及到機械、液壓、電子等先進技術，是公路橋梁檢測與維護的必需設備。我國的橋梁檢測車尚處于初級研究階段，目前僅有徐工集團、湖南恒潤高科有限公司等幾家企業從事橋梁檢測車的研制和生產，同時其高附加值和高效益及大量的市場需求也吸引著很多專用汽車廠家進行研制與生產［1-2］。

湖南恒潤高科有限公司設計的20 m 新型橋梁檢測車需要開展前、后兩對支腿的力學分析與強度校核。設計的20 m 橋梁檢測車為桁架式結構，最大工作范圍20 m，最大下橋深度8 m，最大承載質量400 kg，最大跨越寬度2.5 m，最大跨越護欄高度3 m。支腿安裝在汽車底盤上，在正常行駛時，兩對支腿懸空；當進行橋梁檢測時，兩對支腿通過液壓馬達驅動油缸落地，從而整車的重量通過支腿傳遞到橋面。根據公司設計，橋梁檢測車主體結構質量達20 t。因此，兩對支腿需要具有足夠的強度來承受整車質量，確保橋梁檢測車工作安全、穩定。本文采用Pro/E軟件建立了箱式行走支腿的實體模型，在有限元軟件ANSYS 中定義了軸與軸套、耳板和液壓油缸的4 對接觸對，并進行了接觸非線性分析求解。通過分析得到了2 對支腿整體和部件的應力和變形云圖，進而進行結構強度校核。這在新型橋梁檢測車的開發過程中有著重要的地位。

1 行走支腿模型的建立

1.1 三維實體模型的建立

根據公司提供的二維設計圖紙，采用三維實體建模軟件Pro/E 建立前后支腿的實體模型，導入ANSYS 軟件中的模型如圖1 所示。支腿為箱式焊接結構，在建模過程中認為焊接是牢固的，忽略焊縫高度和焊接預應力的影響，不考慮油缸與活塞形狀尺寸與運動，將其簡化為連桿，如圖1（a）所示。支腿的4 個軸套與封板焊接在一起，通過軸安裝在支承耳板上，油缸裝配在2 根軸上。因此，4 根軸與軸套、耳板和油缸存在著接觸問題，本文采用有限元軟件ANSYS 來定義4 個接觸對并進行接觸非線性求解。

圖1 行走支腿的幾何模型圖

1.2 有限元模型的建立

本文采用三維結構實體單元Solid45，根據零件尺寸分別指定單元邊的長度8 mm 和12 mm，通過SWEEP（掃略）方式來劃分網格。劃分網格前先對封板采用分割與合并等布爾操作，使相鄰板及軸套易于實現網格對齊和共節點，從而使封板與軸套成為一個整體［3］。同樣采用相應的布爾操作，使軸與耳板、軸與軸套、軸與液壓油缸的網格一一對應。這樣能減少生成的接觸對初始間隙，求解時能更高效地得到非線性收斂解。通過網格劃分后的模型如圖2 所示，前、后支腿生成的單元數為55021 和40510，節點數為68834 和56396。

圖2 行走支腿的有限元網格模型

在軸與軸套、耳板和液壓油缸的接觸表面建立接觸單元，軸的外表面用Targe170 作為目標單元，與之接觸的軸套、耳板和液壓油缸用Conta174 作為接觸單元，兩者生成的面—面接觸對及編號如圖3 所示。接觸問題是一種高度非線性問題，接觸面與目標面網格一致和接觸對參數的合理設置直接影響求解收斂。本文中接觸對的摩擦因數設為0.2，載荷步設為20步，其余接觸對參數通過調試確定。

根據公司的設計，兩對支腿的耳板1、2、3 和4 是安裝在汽車底盤上，支腿落地后耳板5 和6 支撐在地面上，見圖1（b）。因此，有限元模型的約束包括耳板1、2、3 和4上表面的全約束和耳板5、6 下表面水平面內X 和Y 方向的約束。整車的重量載荷通過地面反作用力施加在耳板5 和6 下表面Z 方向上。設計考慮安全系數后，將前支腿的計算重量載荷定為4 t，后支腿為10 t。重量載荷可通過節點均布載荷或壓力兩種方式施加。同時對整個模型施加Z 方向的重力加速度，大小為g=9 800 mm/s2。根據公司提供的圖紙，檢測車的主要材料為Q235A 和40Cr［4］，其物理參數均為：彈性模量為2.06×105MPa，密度為7.85×10-9t/mm3，泊松比0.3。

圖3 行走支腿中生成的接觸對及編號

2 行走支腿接觸分析結果與討論

經上述處理，用有限元分析軟件ANSYS 進行接觸非線性計算，可得到兩對支腿分析的應力和變形分布圖，如圖4 所示。

圖4 行走支腿的接觸分析結果

圖5 前行走支腿部件的等效應力云圖

從等效應力圖4（a）和圖4（b）可以得出，前、后支腿總體應力水平較低，前支腿應力水平不高于32 MPa，后支腿不高于65 MPa。應力集中出現在軸與軸套、耳板和液壓油缸的接觸表面，前、后支腿的最大等效應力分別為94.524 MPa和194.737 MPa，發生在3 號軸與耳板5 和6 的接觸區域。前、后支腿的應力水平均低于材料的許用應力235MPa，設計的結構強度滿足要求。從位移變形圖4（c）和圖4（d）可以看出，前、后支腿的最大總變形位移分別為0.217 mm和0.416 mm，也發生在3 號軸與耳板5 和6 的接觸位置。支腿變形量較小，不會影響到橋梁檢測車的穩定工作。

圖6 后行走支腿部件的等效應力云圖

為進一步了解接觸狀態下各部件的應力分布情況，圖5 和圖6 分別給出了前、后支腿各部件的等效應力云圖，其最大等效應力值匯總于表1。

表1 前、后支腿各部件的最大等效應力 MPa

觀察分析結果知，前、后支腿軸3 的最大等效應力分別為94.524 MPa 和194.737 MPa，即是前、后支腿的最大等效應力值。根據赫茲接觸理論，面面接觸的接觸區域不是一條直線，而是有一定寬度的矩形區域［5－6］。從圖5 和圖6 可以觀察到軸與軸套接觸區域存在近似的矩形形狀，且應力從接觸區域的中心往四周逐漸減少，服從赫茲接觸理論；各軸兩端與耳板的接觸面積很小，接觸應力造成此處應力最高，故各軸的最大等效應力發生在軸兩端。

從圖5（e）和圖6（e）可以看出，軸套內表面與軸的接觸壓力起主要作用，最大應力出現在與軸3 接觸區域的中心；軸套外表面與封板焊接的區域應力較大。同時，圖5（d）和圖6（d）也顯示出前、后支腿的封板靠近軸套區域的應力較大，最大的等效應力出現在與軸套2 焊接的地方。實際設計中，焊接區域存在有8 mm 的焊縫高度，因此應力集中將得到有效控制。

3 結語

本文采用有限元接觸非線性分析方法進行橋梁檢測車行走支腿結構的強度校核。從分析所得的應力云圖可知，前、后支腿的應力水平較低，前支腿應力水平不高于32MPa，后支腿不高于65 MPa，低于材料的許用應力235 MPa；考慮接觸非線性，4 個軸與軸套、耳板和液壓油缸的接觸區域及應力變化趨勢符合赫茲接觸理論，最大應力發生在3 號軸位置，其應力值均低于材料的許用應力。本文采用有限元軟件ANSYS 進行接觸非線性仿真分析，為橋梁檢測車的結構設計提供了力學數據和技術支持，節省了產品開發時間和成本，具有重要的工程實際意義。

［1］龔棟梁.國內外橋梁檢測車發展概述［J］.商用汽車，2009（6）：100-102.

［2］崔文毅，潘夏表.橋梁檢測車在橋梁檢測中的應用［J］.橋梁機械與施工技術，2006（12）：42-44.

［3］張朝暉.ANSYS8.0 結構分析及實例解析［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［4］機械設計手冊編委會.機械設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［5］Mgladwell G.經典彈性理論中的接觸問題［M］.范天佑，譯.北京：北京理工大學出版社，1992.

［6］李學軍，沈意平，王裕清，等.大型多支承回轉窯支承結構的接觸有限元分析［J］.工程力學，2006，23（9）：109-113.