造橋機支承托架輕量化設計研究*

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(南通大學，江蘇 南通 226019)

0 引言

造橋機也稱移動模架系統(Mobile Scaffolding System，簡稱MSS)是一種先進的橋梁施工設備，在公路橋、鐵路客運專線上應用較為廣泛[1-2]。移動模架造橋機結構龐大，受力復雜。造橋機在施工過程中，因設計不合理、操作不規范等原因造成模架的側翻、機械傷害、人員傷亡事故時有發生。為確保造橋機能夠達到施工要求和機構安全可靠，有必要對其進行理論校核。造橋機屬于大型非標設備，行業內有關造橋機的設計多停留在經驗或類比的階段，存在著因側重安全而造成材料浪費、因側重經濟性而增加安全隱患的問題。

支撐托架是高墩混凝土橋懸臂澆注時的主要支承，需要保證施工過程中結構的強度、剛度、穩定性要求。并且在造橋機前移工況中要吊裝支承托架實現前后托架的倒換，因而設計出結構輕巧，適應性強的支承托架具有重要的實用價值。本文以恩納斯重工有限公司自行研制的造橋機支承托架為研究對象，以ANSYS軟件為工具，給出了造橋機最不利工況下，支承托架的有限元法分析過程。并在靜力學分析的基礎上，對支承托架進行結構優化設計計算，達到減輕自重、提高材料利用率目的。

1 力學性能計算

1.1 模型合理簡化

采用ANSYS軟件對支承托架進行有限元建模時，若全部反應其真實結構，那么復雜程度非常高。因此，在滿足計算結果的前提下，對模型的實際結構進行下列簡化：

1)忽略焊縫連接處因焊接原因產生的材料特性的改變；

2)假設通過螺栓連接的鋼板緊密貼合，能完全進行力的傳遞；

3)忽略結構中的小尺寸結構，如螺栓孔、小筋在建模時可以省略；

4)為方便施加荷載和簡化模型，建模過程省略了內模、外模和吊架[3]。

1.2 參數化建模

采用自下而上建立模型。在建模過程中采用國際單位制，即長度單位是mm、力的單位是N、質量單位是t、應力單位是MPa。模型建立時保證主要結構在幾何形狀及尺寸大小與CAD圖紙提供的數據相一致，使得模型更加真實的反應實際情況。考慮結構整體和局部的穩定性，必須采用板殼單元進行模擬。因此在ANSYS中選用Shell63彈性板殼單元對其進行模擬。各部件所用鋼材為Q345鋼，相應參數為彈性模量：E=2.06×1011Pa；泊松比u=0.3；密度ρ=7850 kg/m3；重力加速度為10 m·s-2。網格劃分時應兼顧網格數量、網格疏密、單元階次、網格質量四個方面[4-5]。造橋機支承托架結構的截面參數較多，我們將根據實際設計需要選定6個設計變量，分別是T1-下張拉梁底板厚度，T2-下張拉梁側板厚度，T3-下張拉梁頂板厚度，T4-斜撐板厚，T5-上張拉梁板厚，T6-橫梁板厚?？捎镁仃嘪={X1，X2，X3，X4，X5，X6}分別表示支承托架相關截面尺寸，設計變量幾何意義見圖1。

圖1 支承托架有限元模型

1.3 載荷及邊界條件處理

最不利工況下，支承托架以上部件產生的載荷將以集中力的方式等效施加在托架相關節點上(表1)。約束支承托架下張拉梁底面及側面節點三個方向自由度，約束上張拉梁Y方向自由度。

表1 滿載制梁工況加載方法

1.4 計算結果

運行求解后得到支承托架Von-Mises應力云圖(圖2)。可以看出支承托架最大豎向撓度為19.4 mm，應力峰值為209.3 MPa。根據《起重機設計手冊》[6]中Q345材料的許用應力為345 MPa，這里取安全系數為1.33，則許用應力為[σ]=σs/n=345/1.33=259.4 MPa?？芍跐M載制梁工況下，支承托架滿足結構的靜強度要求。其應力峰值距離許用應力值259.4 MPa有一定富余，具備優化空間。

圖2 優化前支承托架Von-Mises云圖

2 支承托架優化設計

2.1 優化模型

支承托架優化的數學模型可做如下表述：

(1)設計變量：X=[X1，X2，X3，X4，X5，X6]T=[T1，T2，T3，T4，T5，T6]

(2)設計參數約束條件：

X1∈[40，60]，X2∈[30，50]，X3∈[11，21]

X4∈[20，30]，X5∈[15，25]，X6∈[25，35]

應力約束條件：

g(x)=σi-[σe]≤0

式中：[σe]表示許用應力，取259.4 MPa。

(3) 目標函數

式中：n表示單元數目，vi表示單元體積。

將以上分析過程作為一個分析文件保存后，進入后處理階段，提取狀態變量后進入優化模塊，進行優化變量、狀態變量、目標函數的聲明。利用上面優化設計的步驟對建立好支承托架的參數化模型進行優化分析，設置迭代次數為20。

2.2 優化結果

圖3 重量迭代曲線

運行優化程序后得到目標函數重量WT(單位：t)迭代曲線(圖3)。將優化后的截面尺寸帶入模型重新計算得到優化后的應力分布圖形(圖4)。

圖4 優化后支承托架Von-Mises云圖

通過對支承托架進行優化分析，同時可以得到支承托架在優化后主要截面尺寸數值，優化前后截面尺寸的數值均發生了改變(表2)。

表2 優化前后各截面尺寸的變化

3 結果分析

將優化后的截面尺寸值代入參數化模型進行驗算。經過優化，支承托架的主要截面尺寸值相較于初始值都發生了不同程度的改變，支承托架總重量從18.4 t下降到17.1 t，下降了1.3 t，下降百分比為7.1%；總變形從19.4 mm上升到22.7 mm，上升了3.3 mm，上升百分比為17%；應力峰值從209.3Mpa上升到242.6 MPa，上升了33.3 MPa，上升百分比為15.9%。

4 結論

1)對造橋機支承托架結構進行了最不利工況下的強度、剛度分析。由分析結果可知，結構的強度、剛度滿足要求。

2)采用ANSYS一階優化算法對支承托架進行了優化設計，使支承托架構件截面尺寸得到了不同程度的改變，優化后應力分布更加合理，重量得到了下降。

3)建議對優化后的下面部位進行結構改善以提高安全儲備。支承托架斜撐、立撐與下張拉梁結合處的應力水平較高，需注意監測，建議適當加強橫梁側向剛度。

基金項目：江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(PAPD)；江蘇省墻體材料革新科研項目(項目編號：201703)；南通市應用研究計劃項目(GY2016054)。