登機橋結(jié)構(gòu)的參數(shù)化有限元分析系統(tǒng)設(shè)計

梁秋榮

（南寧學(xué)院，南寧530200）

0 引言

旅客登機橋是廣泛應(yīng)用于各大航空機場的輔助設(shè)備，它是連接侯機大廳和飛機機身的一種橋梁設(shè)備，為旅客提供舒適安全的出行體驗。登機橋的結(jié)構(gòu)型式多樣，將有限元法應(yīng)用到登機橋結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對其進行靜動力學(xué)計算分析，可為登機橋的設(shè)計和選型提供可靠的依據(jù)。另一方面，登機橋結(jié)構(gòu)是典型的梁、殼結(jié)構(gòu)，系列化較強，根據(jù)登機橋結(jié)構(gòu)系列化的特點，采用APDL 語言的參數(shù)化特性，對登機橋進行參數(shù)化建模和有限元分析。這樣，對不同型號的登機橋進行有限元分析時，能夠避免大量的建模、劃分網(wǎng)格、加載等重復(fù)性工作。

1 登機橋參數(shù)化模型的建立

1.1 參數(shù)定義與參數(shù)輸入界面的定制[1]

首先，把登機橋結(jié)構(gòu)特征參數(shù)化。登機橋結(jié)構(gòu)實物如圖1 所示，其機械結(jié)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)平臺、活動通道、行走與升降機構(gòu)及接機平臺4 大部分組成，活動通道A、B 可相互伸縮。由于轉(zhuǎn)臺的剛度大于通道的剛度，并且可以以立柱為回轉(zhuǎn)中心作擺動，其有限元模型可用圖2 模型來表達，從中可提取出其結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，并利用TCL/TK 語言建立其參數(shù)輸入界面如圖3。

圖1 登機橋結(jié)構(gòu)實物

圖2 登機橋有限元模型及參數(shù)

圖3 尺寸參數(shù)交互界面

1.2 有限元模型的創(chuàng)建

本文采用自底向上的建模方法，即先創(chuàng)建關(guān)鍵點，然后依次生成對應(yīng)的線，使用APDL 語言可以同時實現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動，方便建模，提高設(shè)計和分析的效率。以下以A 通道為例。

（1）待獲得的模型點陣如圖4 所示。

圖4 A 通道關(guān)鍵點序列

其關(guān)鍵點的分布具有一定規(guī)律性，創(chuàng)建的思路為分別定義X/Y/Z 坐標(biāo)陣列akpx/akpy/akpz，其命令如下[2]：

! 定義A 節(jié)X 坐標(biāo)陣列

*dim，akpx，array，na+1，1

akpx（1，1）=0

akpx（2，1）=la0

*do，i，3，na+1，1

akpx（i，1）=la0+（i-2）*l

*enddo

! 定義A 節(jié)Y 坐標(biāo)陣列

*dim，akpy，array，4，1

akpy（1，1）=ha，0，0，ha

! 定義A 節(jié)Z 坐標(biāo)陣列

*dim，akpz，array，4，1

akpz（1，1）=0，0，-wa，-wa

! 利用X/Y/Z 坐標(biāo)陣列創(chuàng)建關(guān)鍵點

*dim，akp，array，4，1+na

*do，i，1，4

*do，j，1，na+1

akp（i，j）=（i-1）*（na+1）+j

k，akp（i，j），akpx（j，1），akpy（i，1），akpz（i，1）

*enddo

*enddo

利用類似的方式按一定編號序列創(chuàng)建其他部分的關(guān)鍵點。為了后面的模型處理，特殊點的編號需用單獨點陣來記錄其編號。

（2）待獲得的模型線陣如圖5 所示。

圖5 A 通道連接線序列

部分程序如下：

! 定義A 段線編號陣列

*dim，alno，array，3，1

! 繪制A 主弦桿線

*do，i，1，4

*do，j，1，na

L，akp（i，j），akp（i，j+1）

*enddo

*enddo

! 獲得主弦桿數(shù)量

*get，alno（1，1），line，，num，max

其中，為進行下一步材料設(shè)置操作，在創(chuàng)建線陣時同時創(chuàng)建矩陣alno（x，1）來記錄各類桿的編號。利用類似的方式按一定編號序列創(chuàng)建其他部分桿并記錄其起始編號。最后獲得的有限元模型可參考圖2。

2 求解前處理

2.1 材料參數(shù)

主體最常用材料為Q235，彈性模量和泊松比分別為2.06E11Pa 和0.3，密度為7 800 kg/m3。

2.2 指定單元類型和劃分網(wǎng)格

結(jié)構(gòu)的弦桿與直腹桿的各節(jié)點之間采用焊接，且均為剛節(jié)點連接，用ANSYS 中的BEAM188 單元模擬；斜腹桿是以鉸鏈的形式與主弦桿相連接，用LINK180 單元模擬。各桿橫截面尺寸由主界面單擊按鈕依次設(shè)置完成。定義各桿材料時，可借用線陣的編號序列。如定義主弦桿的材料及劃分網(wǎng)格程序如下：

LSEL，S，，，1，alno（1，1），1

LATT，1，，1，，，，1

LESIZE，ALL，，，5，，，，，1

2.3 施加載荷及邊界條件

（1）約束條件：A 段所連接轉(zhuǎn)臺軸線的兩節(jié)點，除了Y 軸方向無轉(zhuǎn)動約束外，其余自由度均被約束。升降架底部兩節(jié)點為模擬與地面車輪接觸，除了X軸方向移動外其余約束均限制。在繪制關(guān)鍵點時，通過GET 指令記錄對應(yīng)位置點的編號矩陣，在此處只需調(diào)用該矩陣定義約束即可。比如定義轉(zhuǎn)臺軸線節(jié)點的程序如下[3]：

*GET，akpmax，kp，，num，max

KSEL，akpmax+1，akpmax+2，1

DK，ALL，，，，0，UX，UY，UZ，ROTX，ROTZ，，

（2）A/B 段滑動連接：設(shè)置為耦合關(guān)系。共8 對耦合。運行的部分程序如下：

CP1=KNEAR（bkp（1，1））

ksel，s，，，bkp（1，1）

ksel，a，，，CP1

nslk，s

cp，next，uz，all

（3）施加載荷：模型包含了自重（L1）、風(fēng)載（L2）、人荷載（L3）和雪荷載（L4），將4 種荷載定義為4 個載荷步。

3 有限元計算結(jié)果與分析

（1）靜力學(xué)分析

分別施加和運行4 個載荷步，再考慮實際工況獲得最大應(yīng)力值。依據(jù)GB50009-2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》分析，其最不利荷載工況為以下兩種：

工況1：GK1=1.2L1+1.4L2+0L3+0.7*1.4L4（最大雪載，無人）

工況2：GK2=1.2L1+0.6*1.4L2+1.4L3+0L4（清除雪后，載人）

部分程序如下[3]。

! 工況1

/POST1

LCFILE，11，'LCASE1'，'L01'，''

LCFACT，11，1.2

LCFILE，12，'LCASE2'，'L02'，''

LCFACT，12，1.4

LCFILE，13，'LCASE3'，'L03'，''

LCFACT，13，0

LCFILE，14，'LCASE4'，'L04'，''

LCFACT，14，0.98

LCASE，11

LCOPER，ADD，12

LCOPER，ADD，13

LCOPER，ADD，14

LCWRITE，51

LCASE，51

PLNSOL，U，Y，0，1.0

分析結(jié)果為：工況1 下最大應(yīng)力124.408，最大變形77.428 7。工況2 下最大應(yīng)力92.542 9，最大變形47.853 7。

圖6 工況1 應(yīng)力分布圖

（2）模態(tài)分析

獲得各階頻率如表1 所列，其中1 階頻率為0，主要因為支撐架底座X 方向未受約束。

表1 各階頻率

4 結(jié)論

本文通過使用ANSYS 軟件中前處理模塊的APDL 參數(shù)化語言進行編程，實現(xiàn)了登機橋幾何特征參數(shù)、材料性質(zhì)、載荷及邊界約束等的參數(shù)化賦值，并進行不同載荷和邊界條件下的有限元分析，可縮短對各種結(jié)構(gòu)參數(shù)的登機橋進一步分析計算。文中的程序也給類似零件的建模和分析提供了一定的參考價值。