基于ANSYS的桁架式橋梁檢測車伸縮臂的結構優化設計

孫小軍 王艷輝 崔 哲 李善輝

1.徐州徐工隨車起重機有限公司 江蘇徐州 221000; 2.燕山大學機械工程學院 河北秦皇島 066000

隨著國家對交通建設投入的逐年增大,我國橋梁數量迅速增加［1］。但由于橋梁長期處于工作狀態,會出現結構老化以及產生疲勞裂紋［2］。因此,需要定期對橋梁進行檢測與維護,這就需要橋梁檢測車來完成。

伸縮臂是橋梁檢測車的執行機構,除受自身重力外,還承受外加載荷,其設計的合理與否直接影響整機的穩定性和安全性［3-4］。因此,在滿足基本臂、伸縮臂大剛度和強度的需求前提下,最大限度降低伸縮臂質量是桁架橋梁檢測車設計生產急需解決的重要問題。

為此,建立了8種典型伸縮臂方案有限元模型,運用ANSYS軟件進行有限元分析,對該8種方案的最大等效應力、最大位移和質量進行比較,以確定伸縮臂結構最優方案。

1 伸縮臂有限元分析

1.1 伸縮臂結構介紹

某型號桁架式橋梁檢測車,其結構主要包括底盤、轉臺、主臂、連接架、垂直臂、二回轉、基本臂及伸縮臂等,如圖1所示。

圖1 桁架式橋梁檢測車結構示意圖

工作平臺包括基本臂與伸縮臂,伸縮臂通過滑塊和滑道與基本臂連接,通過拖鏈驅動完成伸縮臂的伸縮動作。由于桁架結構具有輕盈、跨度范圍大等優點,所以伸縮臂采用桁架結構。桁架伸縮臂結構設計方案非常豐富,其中比較典型的8種結構形式如圖2所示。

圖2 8種伸縮臂結構設計方案示意圖

1.2 伸縮臂有限元分析模型

為保證伸縮臂計算的準確性,選取上車結構作為整體進行有限元分析。分析工況為橋梁檢測車工作時最危險工況,即主臂變幅30°,二回轉變幅60°,伸縮臂伸出5600mm,基本臂和伸縮臂施加600kg均布載荷。結構件均采用solid186單元。伸縮臂有限元分析模型如圖3 所示。

圖3 伸縮臂分析整機有限元模型

該橋梁檢測車轉臺、主臂、連接架的材料均選用碳素結構鋼Q690,垂直臂和二回轉的材料均選用碳素結構鋼Q550,基本臂和伸縮臂的材料均選用7005鋁管,取結構件安全系數n=2.75。各部件材料屬性如表1所示。

2 有限元分析結果

該型號橋梁檢測車在最危險工況下方案d整機位移分析結果如圖4所示。其中伸縮臂臂頭最大位移為354mm。

表1 材料性能參數

圖4 方案d整機位移云圖

方案d伸縮臂等效應力如圖5所示。

圖5 方案d伸縮臂等效應力云圖

由圖5可以看出,方案d最大等效應力位于基本臂滑塊與伸縮臂接觸的地方,通過其他方案的計算結果發現伸縮臂最大應力均位于此處。

該型號桁架式橋梁檢測車伸縮臂8種方案計算結果如表2所示。

從表2可見,該型號桁架式橋梁檢測車8種方案伸縮臂臂頭最大位移位于354～372mm之間,其中方案c和方案d位移最小。從最大應力計算結果可以看出,較好方案有方案f、b和d。通過對比該8種方案的質量,可見方案c和方案d的質量最小。

基于以上對某型號桁架式橋梁檢測車8種方案伸縮臂計算結果進行比較,綜合考慮最大位移、最大應力以及質量這3種因素,發現方案c和d最大位移最小且質量幾乎一樣,但方案d最大應力相對于方案c減小15.8%。方案f雖最大應力較d小,然而方案d剛度優于方案f,且方案d質量相對于方案f質量減輕10.1%。因此,選取方案d為桁架式橋梁檢測車伸縮臂的最優方案。

表2 8種方案計算結果

3 結論

通過ANSYS軟件提供的APDL參數化建模語言,建立了某型號橋梁檢測車伸縮臂8種不同方案有限元分析模型,并進行了分析。綜合比較了不同方案的位移、等效應力和伸縮臂質量,最終選擇了最優設計方案d。