基于Femap With Nastran的JQ300t架橋機變幅機構有限元分析

毛思曉， 林利芬

（1.中交二航局第四工程有限公司，安徽 蕪湖 241007；2.武漢軟件工程職業學院，武漢 430205）

0 引言

原JQ300t架橋機用于嘉紹大橋鋼箱梁的架設，為幅度固定的架橋機，其幅度為11.85 m，由金屬框架、錨固機構、吊具、起升機構、縱移機構等部分組成。為節約成本，對設備再次利用，根據泉州灣跨海大橋鋼混梁的架設特點，改造為變幅架橋機，幅度分別為7.4 m、6.6 m和5.45 m，采用伸縮套筒對架橋機進行變幅，圖1為改造后的JQ300架橋機整體立面圖。

圖1 JQ300架橋機整體立面圖

1 JQ300t架橋機工作原理及分析流程

JQ300t架橋機為步履式變幅橋面架橋機，具有提升3種幅度下的鋼混梁、步履行走和尾端錨固等功能。金屬框架下方有頂升油缸和縱移油缸，兩個油缸交替運行，實現縱移行走；起吊鋼混梁時，頂升油缸收縮，尾部錨固；變幅機構為伸縮套筒結構，由內拉桿和外拉桿以及銷軸組成，通過伸縮套筒，插入銷軸固定來調節幅度；每個吊裝幅度下，兩個銷軸同時受力。分析變幅伸縮套筒機構時，首先建立架橋機的整體有限元模型，對3種變幅工況進行有限元分析，通過后處理，提取簡化的伸縮套筒軸力。然后再建立細化的伸縮套筒裝配體模型，添加3種幅度下的最大軸力，對其進行強度和剛度分析。圖2為JQ300t架橋機變幅機構分析流程。

2 JQ300T架橋機整體靜力學分析

2.1 架橋機有限元模型的建立

在使用有限元分析問題時，如果直接對真實結構進行建模分析，分析時復雜程度高，分析工作量大，在對JQ300t架橋機進行分析時，進行適當簡化。采用有限元計算軟件Femap With Nastran建立JQ300t架橋機整體計算模型，整體金屬框架使用螺栓進行聯接，建模時直接用BEAM單元代替金屬框架箱梁，節點之間直接連接，忽略了螺栓孔和主梁翼緣等細小結構。4臺起升卷揚機采用MASS單元以質點的形式模擬；卷揚機與底座連接采用RBE2單元模擬；前斜撐與前支座采用鉸接（釋放銷軸方向自由度）；前上拉桿與前斜撐和立柱采用鉸接（釋放銷軸方向自由度）；后拉桿與錨固座之間采用鉸接（釋放銷軸方向自由度）；圖3為JQ300t架橋機整體計算模型。

圖2 JQ300t架橋機變幅機構分析流程

2.2 架橋機計算工況及風載荷的選擇

模型中所加荷載為有風工作狀態下吊裝載荷，有3種吊裝工況：1）5.45 m幅度下吊裝梁塊；2）：6.6 m幅度下吊裝梁塊；3）7 m幅度下吊裝最重梁塊。

梁塊重量為300 t，動載荷系數為1.1，工作風速六級，風壓為250 N/m2。風載荷以重力加速度形式添加在沿架橋方向。

圖3 JQ300t架橋機整體計算模型

2.3 3種變幅工況下有限元分析及提取變幅力

對分別建立的3種幅度的有限元模型，進行分析。通過軟件的后處理功能，分別提取3種工況下的伸縮套筒變幅機構的軸力。5.5 m、6.6 m、7 m幅度下吊裝時變幅機構軸力分別為92 t、110 t和123 t。在進行變幅機構細化模型分析時，使用最不利工況，即7 m幅度下吊裝時的123t變幅力作為添加載荷。

3 JQ300t架橋機變幅機構裝配體分析

3.1 變幅機構細化模型的建立及載荷添加

變幅機構為箱梁套筒結構，內外箱梁套筒材料為Q345B，工作風壓下的安全系數為1.34，σs/1.34=257 MPa。銷軸材料為40Cr，σs/1.34=366 MPa。箱梁套筒的三維裝配模型在Femap With Nastran中建立。劃分網格時內拉桿、外拉桿和銷軸均為六面體單元，每個銷軸與內外拉桿之間共有4個接觸面；銷軸與內外拉桿之間的接觸面為接觸單元，銷軸屬性為Master，內外拉桿的屬性為Slave，截面之間的摩擦因數為0.3。為模擬套筒變幅機構，在變幅力方向上均勻受力，外拉桿尾部平面為固定，另一側內拉桿面中心點建立一個中心節點，中心節點與周圍節點建立RBE2單元（為剛性面），提取的最大拉力123 t添加在面中心的節點上。圖4為JQ300t架橋機伸縮套筒變幅機構有限元模型。

圖4 JQ300t架橋機伸縮套筒變幅機構有限元模型

3.2 變幅機構細化模型的有限元分析

圖5 銷軸沿軸向的受力曲線圖

圖6 銷軸的綜合應力沿長度方向的分布云圖

圖5 為最大變幅力下的套筒變幅機構整理應力分布圖，最大綜合應力為147.6 MPa，小于許用應力257 MPa。內拉桿的應力從接近套筒口到遠離套筒口應力越來越小；外拉桿從接近套筒口到遠離套筒口應力越來越大；銷軸的最大綜合應力47.2 MPa，小于許用應力366 MPa；從靠近拉桿腹板外邊緣到內邊緣，應力開始增大，然后逐漸減小，中間一段處于均布狀態。圖6為銷軸的綜合應力沿長度方向的分布云圖。

4 結論

本文利用大型有限元分析軟件Femap With Nastran對JQ300t架橋機3種工況下的變幅機構裝配體進行有限元靜力學分析，得出該結構強度和剛度均滿足設計規范要求，并有較大安全裕度，在施工中能夠安全使用；這種從整體到局部的分析方法，對類似的分析計算具有一定的參考價值。

［1］ GB/T3811-2008 起重機設計規范［S］.

［2］ GB50017-2003 鋼結構設計規范［S］.

［3］ 陳紹蕃.鋼結構穩定設計指南［M］.北京：中國建筑工業出版社，2013.

［4］ 林利芬.基于Femap&NX Nastran的3000t托盤金屬結構分析［J］.價值工程，2014（7）：83-84.

［5］ 林利芬.基于ANSYS的150T浮筒搬運機結構分析［J］.機電信息，2014（1）：149-150.