基于Femap with NX Nastran的JQG150/30 U梁架橋機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析

林利芬 陳淑玲 肖 浩

（1.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，湖北武漢430205；2.武漢卡特工業(yè)股份有限公司，湖北武漢430074）

0 引言

U梁架橋機(jī)主要應(yīng)用于城市軌道交通建設(shè)，相對于常規(guī)的公路架橋機(jī)，其桁架間距大，前支腿高度低，并且對步履前行的前后支腿站位要求高。本文以出口到印尼的一臺額定吊重為150 t的JQG150/30 U梁架橋機(jī)為分析對象，按照極限應(yīng)力法對其運梁、架梁和過孔過程中的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核，并對主橫梁與前后支腿的連接方法進(jìn)行探討。該U梁架橋機(jī)金屬結(jié)構(gòu)主要由主橫梁、縱移行車、起重小車、反滾輪、前支腿、中支腿、尾支腿、大車行走機(jī)構(gòu)、供電系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)等部件組成。

1 計算模型建立

采用有限元計算軟件Femap with NX Nastran建立U梁架橋機(jī)的整機(jī)模型，整機(jī)模型包含兩種單元，一種是beam單元，另一種是剛性單元。主橫梁、縱移行車、前支腿、中支腿和尾支腿均采用beam單元模擬；主橫梁的上下弦桿為左右貼板的H型鋼，在Femap中繪制截面，通過自定義截面添加到梁單元當(dāng)中；主橫梁的腹桿為方管，通過梁單元自有的截面添加截面屬性；縱移行車的主梁為變截面梁，通過變截面梁定義兩端的截面屬性；主橫梁前后平聯(lián)的上下弦桿和腹桿均為方管，通過梁單元的自有截面添加截面屬性；前支腿、中支腿和尾支腿均為箱梁結(jié)構(gòu)，通過梁單元的自有截面添加單元屬性；縱移行車與主橫梁之間，主橫梁與前后平聯(lián)之間均通過共有節(jié)點的方式傳遞載荷；前后平聯(lián)與前支腿和尾支腿以及中支腿與主橫梁之間，通過RBE2剛性單元建立連接；由于在運梁、架梁、過孔的過程中，中支腿和縱移行車所處位置不同，分別對四個典型工況建立四組模型，圖1為U梁架橋機(jī)架設(shè)邊梁時的整機(jī)計算模型。

圖1 U梁架橋機(jī)架設(shè)邊梁時的有限元計算模型

約束條件說明：在四種典型工況中，大車均處于靜止?fàn)顟B(tài)，在整機(jī)橫向移動方向約束前后中支腿的水平自由度，僅釋放沿橫移軌道旋轉(zhuǎn)的自由度；橫移大車的自由度為（Dx、Dy、Dz、Ry、Rz）。

計算工況說明：表1為起重小車在跨中、剛性支腿側(cè)極限位置、柔性支腿側(cè)極限位置分別起吊動載荷并且小車緊急制動以及在跨中額定起重量下的四個計算工況。

表1 起重小車的四個計算工況

2 整機(jī)金屬結(jié)構(gòu)有限元分析

當(dāng)前部起重小車尾部取梁時，整機(jī)最大應(yīng)力為220.2 MPa，最大應(yīng)力為后部支腿支撐位置的腹桿應(yīng)力。此時尾部懸臂端，距離后部支腿3 500 mm距離的主梁下?lián)? mm，撓度值8/3 500=1/437＜1/350，滿足懸臂梁設(shè)計要求。圖2為前起重小車在尾部取梁時的整機(jī)應(yīng)力分布圖。

圖2 前起重小車尾部取梁時整機(jī)應(yīng)力分布（單位：MPa）

當(dāng)前部起重小車在額定起重量下行走到跨中時，整機(jī)最大應(yīng)力為272.8 MPa，最大應(yīng)力為后部支腿支撐位置的下弦桿局部應(yīng)力；此時腹桿的最大應(yīng)力為229 MPa，接近極限應(yīng)力235 MPa。在此時的計算模型上，跨中僅添加額定起重量時，跨中下?lián)?1.5 mm，前后中支腿的中點間距為31 600 mm，跨中撓度值51.5/31 600=1/613＜1/400，滿足架橋機(jī)跨中剛度設(shè)計要求。

當(dāng)兩臺起重小車在額定起重量下處于架設(shè)邊梁的位置時，整機(jī)最大應(yīng)力為292.6 MPa，最大應(yīng)力為后部支腿支撐位置、靠近架設(shè)邊梁方向的下弦桿局部應(yīng)力；此時腹桿的最大應(yīng)力為194.4 MPa，中支腿的最大應(yīng)力為142.8 MPa，縱移行車的最大應(yīng)力為40 MPa，均小于極限應(yīng)力235 MPa。

當(dāng)整機(jī)過孔，并且主橫梁處于最大懸臂狀態(tài)，前部臨時支腿剛好要站位時，整機(jī)最大應(yīng)力為139.7 Pa，最大應(yīng)力為前部支腿支撐位置的下弦桿局部應(yīng)力。主橫梁前部臨時支腿位置下?lián)?60 mm，前部臨時支腿與前部中支腿的間距為30 282 mm，跨中撓度值160/30 282=1/189，滿足架橋機(jī)功能性設(shè)計要求。

3 結(jié)語

本文利用大型有限元分析軟件Femap with NX Nastran建立了U梁架橋機(jī)整機(jī)計算模型，對運梁、架梁和整機(jī)過孔四個典型工況的金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得出該U梁架橋機(jī)的強(qiáng)度和剛度滿足要求，且有較大安全裕度，并對主橫梁、縱移行車、支腿等各個部件的建模和連接方法進(jìn)行了分析研究，可為同類產(chǎn)品有限元建模和設(shè)計提供參考。