不同支撐下車橋耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析

侯培海

（中航工業(yè)安徽開樂專用車輛股份有限公司，安徽 阜陽(yáng) 236000）

0 引言

低架橋和電動(dòng)平板小車共同構(gòu)成了小車-低架橋系統(tǒng)。在振華港機(jī)的設(shè)計(jì)方案中，3個(gè)平行的桁架梁結(jié)構(gòu)構(gòu)成了低架橋系統(tǒng)并形成兩條集裝箱運(yùn)輸線，電動(dòng)平板小車運(yùn)行在低架橋軌道上。

表1 低架橋組件表

如表1所示，低架橋由桁架梁、軌道、立柱等組成，桁架梁固結(jié)在中間及兩端立柱上，軌道布置在桁架梁上，立柱與立柱之間采用連桿結(jié)構(gòu)。圖1為低架橋結(jié)構(gòu)圖。電動(dòng)平板小車由車輪、車體以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)等組成，長(zhǎng)13.2 m，寬5.9 m，平板小車可并行放置兩個(gè)集裝箱，額定載重量為80t。

圖1 低架橋結(jié)構(gòu)圖

1 有限元模型

1.1 有限元模型

表2 低架橋、平板小車有限元模型

小車-低架橋系統(tǒng)中，無(wú)論低架橋還是小車，均為金屬桁架結(jié)構(gòu)，考慮到結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和剪力因素，選用BEAM188單元建立小車和低架橋模型，同時(shí)計(jì)入了剪切效應(yīng)和大變形效應(yīng)，如表2、圖 2、圖 3 所示。

圖2 低架橋的有限元模型

圖3 平板小車有限元模型圖

2.2 模態(tài)分析

分析低架橋和平板小車的固有特性，分別提取前20階固有特性，如表3所示。

表3 小車、低架橋前20階固有頻率

由表3和圖4可知，低架橋前幾階固有頻率有很大差異，如剛性支座第一階頻率為2.44 Hz，而柔性支撐只有0.85 Hz。而后幾階的頻率卻相同或相差不大，如第20階的頻率分別為 7.95 Hz、7.29 Hz、7.70 Hz 和 7.34 Hz，最大、最小頻率只相差8.3%。平板小車的第一階固有頻率為0，是因?yàn)檠豖方向（軌道方向）的自由度沒有約束，存在剛體運(yùn)動(dòng)。

圖4 低架橋固有頻率變化趨勢(shì)圖

1.3 動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析

1.3.1 載荷

當(dāng)平板小車在低架橋上運(yùn)行時(shí)，小車的自重加上其滿載時(shí)的重量就是其作用在低架橋上的移動(dòng)載荷，從資料中可獲知，平板小車的自重為181.2 kN。滿載的重量為80t。計(jì)算公式為

式中：F為移動(dòng)載荷；G1為小車自重；G2為滿載重量。

因此，移動(dòng)載荷F的大小為965.2 kN。

1.3.2 運(yùn)行過(guò)程

假設(shè)瞬態(tài)分析的時(shí)間增量是0.05 s，小車從低架橋一端運(yùn)行到另一端所需時(shí)間為17.75 s。

當(dāng)平板小車滿載從低架橋一端運(yùn)行到另一端時(shí)，其間總行程為57.4 m，運(yùn)行過(guò)程經(jīng)歷了勻加速、勻速和勻減速3個(gè)階段，其中小車勻加速和勻減速的時(shí)間都是3.5 s，加速度為1.143 m/s；勻速階段運(yùn)行時(shí)間為10.75 s，速度4 m/s，如圖 5～圖 7 所示。

圖5 位移時(shí)間曲線

圖6 速度時(shí)間曲線

圖7 加速度時(shí)間曲線

1.3.3 結(jié)果分析

表4為不同支撐形式下各方向的最大位移，從表4可以分析得出以下幾點(diǎn)：

1）柔性支撐位移絕對(duì)值在X方向和Y方向上分別為1.17 mm和3.05 mm，均為最大值。其次滑動(dòng)支撐分別為1.12 mm和2.9 mm。綜上說(shuō)明采用鉛芯橡膠支座和摩擦滑移支座可以增加低架橋結(jié)構(gòu)的柔性，同時(shí)也能降低結(jié)構(gòu)的剛度。

2）在X方向、Y方向和Z方向，剛性支撐的位移絕對(duì)值均為最小，這說(shuō)明較其它的支撐形式，剛性支撐有更好的剛度，然而其柔性是最差的。

3）在所有支撐形式下，Y方向的位移絕對(duì)值的最大值均分別出現(xiàn)在Y坐標(biāo)的5.8 m處和Z坐標(biāo)的7.1 m處，即平板小車的運(yùn)行軌道。在平板小車滿載運(yùn)行過(guò)程中，軌道處易產(chǎn)生最大的變形。

表4 不同支撐形式下各個(gè)方向的最大位移

2 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了平板小車、低架橋結(jié)構(gòu)并建立有限元分析模型。通過(guò)模態(tài)分析得出平板小車和不同支撐形式下低架橋的固有頻率，并提取前20階進(jìn)行對(duì)比分析；對(duì)平板小車滿載時(shí)，經(jīng)歷勻加速、勻速和勻減速三種運(yùn)行狀態(tài)從一端運(yùn)行到另一端，在不同支撐形式下低架橋結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了研究分析，并詳盡比較了不同支撐形式下的響應(yīng)結(jié)果。

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