裝配式機械化橋連接器的接觸分析與試驗研究

【機械制造與檢測技術】

裝配式機械化橋連接器的接觸分析與試驗研究

劉宇晨，何曉暉，高磊

(解放軍理工大學 野戰工程學院，南京210007)

摘要：為研究某裝配式機械化橋連接器結構的力學特性，基于ANSYS接觸分析理論建立了該連接器受力分析的三維有限元模型，并對不同荷載作用下連接器的受力情況進行了數值分析，得到了不同荷載工況下的關鍵部件的應力分布；通過制作連接器實體模型，進行了不同荷載工況下的試驗，得到了連接器關鍵部件的試驗應力值和關鍵結構的應力隨荷載的變化規律；通過仿真結果與試驗數據的對比研究，研究結果表明，連接器仿真的建模和分析策略具有可信性，能夠作為連接器的進一步分析的方法，為下一步的分析提供了理論支撐。

關鍵詞：連接器；ANSYS；接觸分析；荷載試驗

收稿日期：2015-05-22

作者簡介：劉宇晨(1990—)，男，碩士研究生，主要從事軍事裝備技術研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.09.022

中圖分類號：U448

文章編號：1006-0707(2015)09-0085-05

本文引用格式：劉宇晨，何曉暉，高磊.裝配式機械化橋連接器的接觸分析與試驗研究[J].四川兵工學報，2015(9):85-89.

Citationformat:LIUYu-chen,HEXiao-hui,GAOLei.ContactAnalysisandExperimentalResearchonConnectorofPrefabricatedMechanizedBridge[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(9):85-89.

ContactAnalysisandExperimentalResearchonConnector

ofPrefabricatedMechanizedBridge

LIUYu-chen,HEXiao-hui,GAOLei

(CollegeofFieldEngineering,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China)

Abstract:In order to study mechanical properties of a prefabricated mechanized bridge connector structure, first we built a 3-D finite model of the connector based on ANSYS contact analysis theory, and the numerical analysis of the connector were carried out under different load cases, which provided stress distribution of key parts of connector. Then a solid model was made to conduct experiments under different load cases, which provided experimental stress and the variety law of stress of key parts of connector, and according to the contrast of simulation results and experimental data, the simulation strategy of modeling and analysis of connector is dependable, which can provide methods and theoretical supports of further analysis.

Keywords:connector;ANSYS;contactanalysis;loadexperiment

裝配式機械化橋是一種能快速架設、撤收，且靈活機動的對接式橋梁，其具有結構簡單、能夠承受的最大荷載的級別高、互換性好以及地形適應能力強等特點。裝配式機械化橋不僅在軍事運輸、搶險救災等方面具有重要作用，在平時的交通工程建設保障中也發揮著重要作用。作為一種可快速架設、撤收的特殊橋梁，裝配式機械化橋的連接器是制約其性能的關鍵環節，如何實現不同工況條件下穩定可靠的連接是連接器研究的重點[1]。本研究以某型裝配式機械化橋的連接器為研究對象，為了研究連接器結構的受力特性，利用ANSYS軟件對連接器進行了荷載作用下的接觸分析，并進行了連接器的模型試驗以驗證接觸分析結果的可靠性。

1某型裝配式機械化橋連接器的結構

某型裝配式機械化橋連接器結構包含上部連接器、下部連接器以及左、右2個坡度相同的連接斜面模塊，2個連接模塊通過上部和下部連接器實現連接，連接器連接后的整體結構如圖1所示。上部連接器由連接銷和連接桿組成，如圖1(b)所示，下部連接器由倒丁字銷和U型槽組成，U型槽結構如圖2(a)所示，倒丁字銷結構如圖2(b)所示。

圖1　連接器整體結構

圖2　連接器2個連接斜面模塊結構

當2個連接模塊對接時，連接桿約束住兩端的連接銷，倒丁字銷插入U型槽中，兩斜面相互接觸，共同承擔作用在連接器上部的壓力荷載，連接器兩端采用簡支約束。由于連接器主要通過面與面的接觸來承擔荷載，其中連接桿是通過銷孔面與連接銷面接觸來產生約束，倒丁字銷與U型槽是通過銷表面與槽面接觸來傳遞力，兩斜面也是通過面與面之間接觸摩擦承擔一部分荷載作用。

因此，利用通用有限元軟件ANSYS的接觸分析功能來模擬連接器之間的連接，并研究連接器各部分結構在靜荷載作用下的受力可靠性與力學性能。

2基于ANSYS的連接器接觸分析

2.1接觸分析理論基礎

ANSYS支持3種接觸方式：點-點接觸、點-面接觸和面-面接觸。因此，在求解問題之前，先要確定接觸區域(包括可能發生接觸的區域)，在接觸表面上設置相應的接觸單元，建立可能存在的接觸對。由于連接器主要接觸對為面與面的接觸，故這里主要介紹面-面接觸分析理論[2]。

1) 接觸單元的確定

對于面對面的接觸單元選擇，首先要確定接觸物體之間哪個表面是接觸面，那么另外一個表面就是目標面，接觸面和目標面就構成了一個接觸對，構成接觸對的接觸單元和目標單元通過共享實常數組聯系起來，因此，不同的接觸對需要對應不同的實常數組，即使實常數沒有變化也必須定義不同的組號。一般情況下，分別使用TARGE170或TARGE169 來模擬三維剛性目標面，使用CONTA171、CONTA172、CONTA173、CONTA174來模擬柔性接觸面。接觸對的選擇原則一般為：① 若凸面可能與凹面或平面接觸，則平面或凹面應當為目標面；② 若2個面的網格疏密不同，網格較密的面應設置為接觸面，網格較粗的面設置為目標面；③ 若一個面比另一個面剛，則較柔的面應為接觸面，而較剛的面為目標面；④ 若高階和低階單元位于不同的面，則高階為接觸面，低階為目標面；⑤ 若一個面比另一個面大很多，則較大的面應為目標面。

2)面-面接觸單元的特性

面-面接觸單元相比節點接觸單元有很多優點，包括與低次和高次單元均兼容、計算過程中發生大滑動和摩擦的大變形時也有效、可以計算殼厚度的改變以及梁的厚度、計算時能夠采用半自動接觸剛度、對剛性面的控制可以利用“控制節點”的方式實現等。

3)面-面接觸的主要分析步驟

模型的建立及網格劃分。對分析模型結構進行簡化并建立有限元分析模型，設置單元的類型、實常數和材料特性等初始條件，采用恰當的單元對分析模型進行網格劃分；

識別和建立接觸對。由于幾何模型和潛在變形的多樣性，有時一個接觸面的同一區域可能和多個目標面發生接觸，所以要確定接觸區域的大小，并且使用多組覆蓋層接觸單元定義多個接觸對，每個接觸對有不同的實常數號。

設置實常數和單元關鍵字。ANSYS使用實常數和幾個單元關鍵字來控制面-面接觸單元的接觸行為，包括：KNN(法向接觸剛度因子)、FTLON(最大穿透范圍)、ICONT(初始靠近因子)、PINB(Pinball區域)、PMIN/PMAX(初始穿透允許范圍)等。太大的接觸剛度有時會造成問題不收斂[3]。

其他步驟還包括施加邊界條件、定義求解和載荷步選項、求解、結果提取與分析等。

2.2連接器有限元模型的建立

利用實體單元SOLID186對連接器進行建模，連接器材料為高強鋼WELDOX960([σ]=768MPa，[τ]=490MPa)，密度為7 850kg/m3，彈性模量為210 GPa，忽略結構接觸面之間的間隙，利用APDL語言建立的幾何模型，并對模型進行網格劃分，自由劃分單元網格后的連接器有限元模型如圖3所示，單元總數為291 690個，節點數為405 623個。

圖3　連接器有限元模型

圖4　連接板和“倒丁字”銷細化模型

2.3靜荷載作用下的連接器受力分析

1) 接觸對和初始條件的設置。

根據上述的接觸面設置原則，可以判斷出連接器有4對接觸面，分別為：“倒丁字”銷與U型槽之間的接觸面、連接桿與上銷軸之間的接觸面、連接桿與下銷軸之間的接觸面以及上斜面與下斜面之間的接觸面[4]。分別選定目標面和接觸面，根據選擇原則接觸面分別為：“倒丁字”銷面、上銷軸面、下銷軸面和上斜面。

在設置接觸對時，通過ESURF命令選擇目標面上的節點生成三維目標單元TARGE170，選擇接觸面上的節點生成相應的三維接觸單元CONTA174。最后生成的接觸對如圖5所示。

圖5　連接器模型的接觸對

2) 約束條件和荷載條件的確定。

研究荷載作用下的連接器的受力特性，連接器應處于簡支工況，在ANSYS中，通過約束相應節點的自由度來模擬簡支工況[5-8]，對于建立的連接器簡化有限元模型，通過約束一端底邊上的全部節點的UX、UY、UZ3個方向的自由度，約束另一端底邊上的全部節點的UY、UZ2個方向的自由度來模擬簡支工況，設定重力加速度為9.8m/s2。

為了研究不同力荷載下的連接器受力變化情況，將荷載條件設定為作用在連接器中間點的集中力荷載，荷載值為1t、2t、3t、4t、5t5種工況。

3) 連接器受力分析。

還需提及，南海區域也是日本拓展地緣政治影響力的重要場域。對于日本而言，東北亞因有俄羅斯、中國等大國的存在，所以其主要的地緣政治空間首選南海及周邊東南亞地區。在南海周邊地區，日本更希望維持美軍存在基礎上的美日同盟安保秩序，不愿看到其他國家主導這一海域，因為這將大大削弱日本在南海區域地區事務中的角色，因此對中國在南海海域的維權行動視為“威脅”，并逐步升級實施“對華對沖戰略”。[20]

對于不同荷載作用下的分析，僅需改變荷載的大小即可，其他分析條件如接觸對的選擇、約束條件的設置、力作用的位置、計算求解的方法等均是相同的。因此，在這里僅對5t荷載作用下連接器的受力特性進行分析，其他工況與5t工況類似。

對于5t荷載作用的工況，由于主要研究對象是連接板結構和倒丁字銷結構，因此，提取連接桿的應力分布云圖如圖6所示，倒丁字銷的應力分布云圖如圖7所示，由圖6可以看出連接板與連接銷的接觸銷孔是應力集中的部位，最大應力值為112.208MPa，兩根連接桿都承受拉力，靠近銷孔處的等效應力值均為25.943MPa。由圖7可以看出倒丁字銷的圓臺與連接軸的交界處是應力集中的部位，最大應力值為104.855MPa，連接軸靠近圓臺處的應力值為90.624MPa。

圖6　5 t荷載作用下連接桿的應力分布云圖

圖7　5 t荷載作用下的倒丁字銷應力分布云圖

其他4種工況的分析過程與應力分布與5t作用工況基本相同或類似，故在此不再贅述。為了便于與模型試驗數據的對比，每一種荷載工況下均提取連接桿靠近銷孔處的應力值、倒丁字銷連接軸靠近圓臺處的應力值，并將各工況下各關鍵連接件的應力值匯總，如表1所示。

表1　連機器接觸分析結果匯總

3連接器的模型試驗

為驗證連接器接觸分析結果的可信性，采用連接器的實際尺寸制作了模型并進行荷載試驗，試驗約束條件為簡支約束，簡支端點的跨度為2m，上部連接桿中心與下部倒丁字銷中心之間的距離為862mm。

3.1試驗儀器選擇及布置

試驗采用了DH3818靜態應變測試儀來對重要部位的應力應變進行測量，該應變測試儀集數據采集箱、微型計算機及支持軟、硬件構成。可自動手動、準確、可靠、快速進行靜態應變測量，配接合適的應變式傳感器，還可對壓力、扭矩、位移、溫度等物理量進行測量。

試驗主要需要測量的是連接桿與倒丁字銷的應力值，故通過應力傳感器將輸出數據轉換為應力值，在上述仿真分析得到了連接桿和倒丁字銷關鍵位置的應力值，在靜載試驗中通過在相應位置粘貼應變片來測得不同工況下的應力值大小，應變片在連接桿上的布置位置如圖8所示，應變片在倒丁字銷上的布置位置如圖9所示。

圖8　連接桿上的應變片布置位置

圖9　倒丁字銷上的應變片布置位置

3.2加載方式與荷載條件

對于靜載的施加一般分為2種加載方式：通過在加載點放置相應質量的重物和通過專用的加力架(即千斤頂)進行不同工況的加載，本實驗采用專用的加力架來對模型進行加載，加載位置為連接器的中點處，加載方式如圖10所示。

圖10　靜載試驗的加載方式

在試驗過程中，千斤頂緩慢地加載至特定荷載值，以去除試驗梁之間的間隙，從而盡可能地避免由于沖擊使連接器結構發生振動、殘余應變和變形而影響試驗結果的準確性，當荷載施加至穩定狀態時，再采集相應數據，單組數據分多次采集，計算分析時取平均值，以確保數據的準確性。

3.3模型試驗結果匯總

分別進行連接器5種荷載工況的荷載試驗，并記錄相應的數據，試驗的數據匯總如表2所示。

表2　連接器模型試驗結果匯總

表1中，σ1、σ2、σ3、σ4分別代表應變片1～4的應力測量結果。

由表2可以看出，隨著荷載的增大，各部位的應力值也相應增大，當荷載為1t時，連接桿和倒丁字銷上的應力均出現了負值，這表明連接桿和倒丁字銷發生受壓現象，連接桿承受壓力是由于將連接器模型簡化為連接桿后兩端都是銷孔連接，使結構能夠承受壓力作用；倒丁字銷上測得的應力值一側為正，另一側為負，表明倒丁字銷在荷載施加過程中有側彎的趨勢，導致連接銷軸一側受拉、另一側受壓。

4仿真與試驗結果對比分析

表3　試驗與仿真應力值的對比

由表3可以看出，2組數據在靜荷載值較小時，仿真值與試驗值之間的誤差較大，一方面是由于荷載較小時，各部分的應力值本身就很小，加上由于試驗誤差和實際模型中縫隙的存在，導致試驗值會有一定波動；當荷載值逐漸增大時，仿真值與實驗值之間的誤差呈變小的趨勢，2組組數據后3種工況的對比誤差均小于30%，最小誤差達到0.6%，這是符合工程要求的。

圖11　σ a和 的對比曲線

圖12　 和σ b的對比曲線

由圖11、圖12可以看出，試驗值與仿真值的整體變化趨勢一致，兩者之間的差值總體上來說在可接受范圍之內，能夠滿足工程需求。由圖11的試驗值曲線可以看出當荷載從1 t增大到2 t的過程中，連接桿上的應力緩慢增長，而當荷載增大到3 t時，連接桿的應力大幅度增加，而當荷載進一步增大時，應力增長又趨于平緩，表明當作用在連接器上的荷載為2～3 t之間時存在一個臨界值，使連接器的受力狀態發生變化；同樣，由圖12 的試驗值可以看出，倒丁字銷在2～3 t之間的應力增長速率變緩隨后又增快。由連接器的結構特征可以分析推斷出現這種現象是由于連接斜面之間發生了相對滑動，導致連接桿和倒丁字銷的接觸狀態發生變化，從而引起應力的變化，隨著荷載的增大接觸狀態趨于穩定，應力值變化規律也趨于穩定。

5結束語

綜上所述，通過試驗與仿真結果的對比得到了連接器關鍵部位在不同荷載條件下的受力特性和關鍵結構的應力變化規律，表明了連接器的接觸分析結果是可靠的，有限元模型的建模策略是正確的，能夠為連接器結構的進一步分析如動力學分析提供基礎。且連接器的結構是穩定可靠的，能夠承受規定范圍內的荷載，該連接器的結構能為大型裝備連接機構的改進提供參考，連接器有限元模型的建模策略和接觸分析的方法具有一定參考價值。

參考文獻：

[1]余瀾,李潤培,舒志.移動式海上基地連接器研究現狀與發展[J].海洋工程,2003,21(1):60-66.

[2]王新敏,李義強,許宏偉.ANSYS結構分析單元與應用[M].北京:人民交通出版社,2012.

[3]李妍.基于ANSYS軟件的接觸問題分析及在工程中的應用[D].吉林:吉林大學,2004.

[4]Yeh M K,Fang L B.Contact analysis and experiment of delaminated cantilever composite beam[J].Composites:Part B,1999(30):407-414.

[5]王增山,虞偉建,王開福.基于ANSYS的機翼接頭強度分析及優化設計[J].機械設計與制造,2009(7):47-49.

[6]兆文忠,蔡培培,王劍.接觸非線性分析及對車下吊裝聯接結構螺栓可靠性的校驗[J].大連交通大學學報,2012(6):6-9.

[7]趙衛平.基于ANSYS接觸分析的粘貼-滑移數值模擬[J].建筑科學與工程學報,2011,28(2):44-51.

[8]李珊珊,韓麗俊,梁義維.基于ANSYS的斜齒輪接觸應力有限元分析[J].機械工程與自動化,2009(4):23-24.

(責任編輯唐定國)