用于智能物流搬運的橋梁結構設計

□ 馬洪輝 □ 馮益聰 □ 董宇杰 □ 吳小濤 □ 顧 勇

杭州師范大學錢江學院 杭州 310036

1 設計背景

在人類文明的發展史中,橋梁的建設占據著十分重要的位置,是人類文明的產物。中國古代橋梁擁有輝煌成就,在世界橋梁歷史上絢麗多姿,體現了人類社會的進步與發展[1-6]。智能物流系統指在智能交通系統基礎上,以電子商務方式運作的現代物流服務體系。智能物流搬運系統是借助于搬運的智能物流體系。

全國大學生工程訓練綜合能力競賽是全國性大學生科技創新實踐競賽活動,競賽過程包括理論設計、實際制作、整車調試、現場比賽等環節,要求學生組成團隊,協同工作,初步體會工程性研究開發項目從設計到實現的全過程。筆者以第七屆全國大學工程訓練綜合能力競賽智能物流-橋梁結構設計組別的命題為背景,設計用于智能物流搬運的橋梁結構。橋梁上承載小車,小車最大承載質量為30 kg。根據給定橋梁區間尺寸長800 mm、寬180 mm、高250 mm,設計單跨橋梁結構,要求橋梁材料采用本色側壓雙層復壓竹皮,單張竹皮厚度不大于 0.5 mm,力學性能參考值中,彈性模量為10 GPa,抗拉強度為60 MPa。

2 橋梁結構建模

競賽對橋梁的質量有要求,以橋梁最小的自身質量來承擔最大的載荷。首先考慮橋架桿件結構,由于三角形結構具有較好的穩定性,因此橋架桿件采用三角形結構。所有桿件盡量通過較短的長度來換取中心位置的降低。桿件長度減小,降低桿件的長徑比,使桿件臨界受力強度增大,桿件更加穩定。基于以上因素,利用竹皮制作桿件來搭建橋梁,總質量為0.2 kg。最終設計的單跨橋梁結構模型如圖1所示。

▲圖1 單跨橋梁結構模型

3 仿真分析

仿真分析采用ANSYS Workbench有限元計算軟件。按照競賽設計要求,橋梁上小車的行駛速度較慢,因此不考慮橋梁所受載荷的動態效應,整體分析屬于靜力學范疇[7]。

根據橋梁結構模型實物形狀,利用SolidWorks軟件建立幾何模型。建模完成后,將模型保存為.stp格式文件,為導入ANSYS Workbench 軟件做好準備。根據橋梁的實際受力工況,橋梁的四角屬于與地面固定端,橋面中心受載,以檢驗橋梁應力與變形位移情況為主。

分析時采用靜力學模塊,網格全局單元大小為5 mm,采用六面體網格,單元類型采用二次減縮積分單元。橋梁在受壓工況中,采用二次單元能夠有效避免線性單元所導致的剛度鎖緊問題,提高計算結果的精度。對橋梁進行網格劃分,一共生成12 930個網格、51 122個節點。橋梁結構模型網格劃分如圖2所示。針對橋梁的四個底邊,采用約束。考慮到橋梁的中間位置為危險位置,選擇在橋面的中間位置施加300 N載荷,來綜合檢驗橋梁的安全性。

▲圖2 橋梁結構模型網格劃分

有限元前處理完成后,根據計算機性能設置相應的線程數和內存,提交計算。計算完成后,進入后處理模塊,對橋梁的應力及變形進行計算。

橋梁上行駛小車,一般認為小車行駛至橋梁中間時,橋梁截面最具有危險性,是危險截面[8]。對此,在受力分析時,在橋梁中間位置施加集中載荷,分析橋梁的受力。橋梁結構的等效應力云圖如圖3所示。應力分析結果表明,橋梁中間部分所受的應力最大,達到40.699 MPa。

▲圖3 橋梁結構等效應力云圖

橋梁結構的變形云圖如圖4所示。橋梁為對稱結構,橋梁的中部位置變形最大,達到4.242×10-2mm。通過計算,這一數值相對于橋梁的整體高度,相對變形量為0.016%,對橋梁撓度的影響不大,可以認為橋梁是安全的。

橋梁結構在受載過程中的法向應力云圖如圖5所示。橋梁的中部位置所受法向應力最大,達到11.88 MPa,低于竹皮材料的抗拉強度,所以從法向應力方面考慮,橋梁也是安全的。

▲圖4 橋梁結構變形云圖

▲圖5 橋梁結構法向應力云圖

4 試驗驗證

為了模擬競賽環境,筆者制作了橋梁承載試驗裝置,如圖6所示。試驗結果表明,當在橋梁中部的承載砝碼加載到30 kg,并保持靜載荷時間10 s時,橋梁未出現大的撓度變化,卸載后各桿件完好無損。這一結果與軟件模擬結果類似。

▲圖6 橋梁承載試驗裝置

5 結束語

筆者以第七屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽智能物流-橋梁結構設計組別的命題為背景,設計用于智能物流搬運的橋梁結構。通過軟件模擬,結合橋梁承載試驗裝置試驗,確認當橋梁上承載質量為30 kg時,橋梁不出現過大的撓度,卸載后橋梁各桿件完好無損。所設計的橋梁結構經過競賽實踐驗證,以較輕質量承載搬運較大載荷而取得較好的成績,是較優的結構設計方案。