基于ANSYS的DF40/200型架橋機(jī)金屬結(jié)構(gòu)有限元分析

摘 要：【目的】為了保證施工安全，架橋機(jī)作為大型起重設(shè)備在投入使用前需要對其進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核。【方法】以DF40/200型架橋機(jī)為研究對象，介紹了架橋機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和作業(yè)流程。通過APDL參數(shù)化建模方法在ANSYS軟件中建立架橋機(jī)最危險架設(shè)和過孔工況的有限元模型，并對模型進(jìn)行有限元計算。【結(jié)果】通過有限元分析得到，在7級風(fēng)架設(shè)和6級風(fēng)過孔工況下，整機(jī)的應(yīng)力和位移結(jié)果。通過對結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證了架橋機(jī)在最危險架設(shè)和過孔工況下，其金屬結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度均滿足使用要求。【結(jié)論】主梁自重較大且是架橋機(jī)的主要承重部件，通過有限元計算獲得了架橋機(jī)主梁金屬結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與位移云圖，確定其結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足要求，同時得出架橋機(jī)主梁存在優(yōu)化空間，為之后的架橋機(jī)主梁優(yōu)化提供了可靠的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：架橋機(jī)；金屬結(jié)構(gòu)；有限元分析

中圖分類號：U445.36 " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " 文章編號：1003-5168（2024）12-0046-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.12.009

Metal Structure Finite Element Design Technology of DF40/200 Bridge Erection Machine Based on ANSYS

HAN Linshan ZHANG Xu WU Chenchen

（School of Mechanical Engineering， North China University of Water Resources and Electric Power， "Zhengzhou 450000， China）

Abstract： [Purposes] In order to ensure construction safety，as a large-scale lifting equipment， the bridge crane needs to be put into use before the strength and stiffness calibration. [Methods] This paper takes DF40/200 type bridge erection machine as the research object， and introduces the structural composition and operation process of bridge erection machine. The finite element model of the most dangerous erection and over-hole condition of the bridge erection machine is established in ANSYS software through the parametric modeling method of APDL， and finally the finite element calculation is carried out on the model. [Findings] The results of stress and displacement of the whole machine under the erection in class 7 wind and over-hole condition in class 6 wind are obtained by finite element analysis. By analyzing the results， it is verified that the bridge erector meets the usage requirements under the most dangerous erection and over-hole working conditions， as well as the strength and stiffness of its metal structure. [Conclusions] The main girder has a large self-weight and is the main load-bearing part of the bridge.Through the finite element calculation， the stress and displacement cloud diagram of the main girder metal structure of the bridge is obtained and it is determined that its structural design meets the requirements. And at the same time， it is concluded that the main girder of the bridge exists the optimization space for the subsequent optimization of the main girder of the bridge， which provides a reliable basis for the optimization of the main girder of the bridge.

Keywords： bridge erection machine; metal structure; finite element analysis

0 引言

架橋機(jī)是一種大型起重設(shè)備，其主要功能是將預(yù)制好的橋梁部件放到相應(yīng)的位置上［1］。現(xiàn)在有不同結(jié)構(gòu)形式的架橋機(jī)廣泛應(yīng)用于橋梁施工工程中，在城市橋梁架設(shè)過程中，需要對相應(yīng)的路段進(jìn)行封閉管理，因此架橋機(jī)的作業(yè)效率會影響當(dāng)?shù)氐慕煌ǎ谝欢ǔ潭壬弦矔?jīng)濟(jì)產(chǎn)生影響。因此，為了提高架橋機(jī)的施工效率，盡量減小對城市交通的影響［2］，本研究設(shè)計了DF40/200型一體化架橋機(jī)。為確保架橋機(jī)能夠正常工作，需要對其金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。主梁是架橋機(jī)的主要承重結(jié)構(gòu)，能否滿足架橋機(jī)架設(shè)與過孔時的強(qiáng)度和剛度要求，是衡量架橋機(jī)性能的重要指標(biāo)。此外，主梁的重量在架橋機(jī)總重之中占比較大，如果對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，不但可以減少主梁的重量，還可以降低架橋機(jī)的材料消耗量。這樣既能減少浪費(fèi)，又能為企業(yè)降低生產(chǎn)費(fèi)用。

1 DF40/200型架橋機(jī)結(jié)構(gòu)組成及作業(yè)流程

1.1 DF40/200型架橋機(jī)結(jié)構(gòu)組成

DF40/200型架橋機(jī)主要由雙桁架梁及聯(lián)系梁組成的主梁、五條支腿、前天車、后天車、附屬結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等組成，如圖1所示，其中1是主梁、2～6分別是1～5號支腿、7是后天車、8是前天車、9是液壓系統(tǒng)、10是電氣系統(tǒng)。

1.2 DF40/200型架橋機(jī)的作業(yè)流程

①一體機(jī)架梁狀態(tài)時，4條支腿共同支撐主梁。②運(yùn)梁車運(yùn)送蓋梁到一體機(jī)主梁后方。③前天車提起蓋梁。④前天車提蓋梁縱移到架設(shè)蓋梁位置并將蓋梁縱、橫向?qū)ξ宦浞拧惭b。⑤對蓋梁濕接縫進(jìn)行灌漿、等強(qiáng)。⑥前、后天車返回主梁后方取T梁。⑦架設(shè)后跨T梁，T梁架設(shè)完成后，墩柱、蓋梁已經(jīng)完成了等強(qiáng)。⑧一跨架設(shè)完成后開始過孔，通過2、3支腿托輥輪驅(qū)動主梁前進(jìn)到位。⑨后天車起吊蓋梁安裝支架到前方墩柱安裝，過孔完成，開始下一個工作循環(huán)。

2 建立DF40/200型架橋機(jī)模型

由于架橋機(jī)的作業(yè)工況比較多，需要頻繁地對模型進(jìn)行修改，為了節(jié)省修改模型的時間，采用參數(shù)化語言（APDL）的方式對架橋機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和分析［3］。在建立模型的過程中，不必把架橋機(jī)上每個零件都進(jìn)行建模，可以對架橋機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡化。通過相關(guān)設(shè)計理論對架橋機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析研究，可以把那些不太重要的點(diǎn)或者不是主要受力結(jié)構(gòu)的構(gòu)件做簡化或等效處理［4］。根據(jù)設(shè)計要求可知，架橋機(jī)的主梁主要由桿件組成。架橋機(jī)主梁上、下弦桿的材料為Q460，架橋機(jī)主梁豎、斜撐和平連桿及支腿結(jié)構(gòu)的材料為Q355。因此，在建立架橋機(jī)主梁截面時采用平面單元plane82，在建立主梁和支腿時采用梁單元beam188。首先建立架橋機(jī)主梁各截面模型，然后通過添加截面方式建立架橋機(jī)主梁模型，接著單獨(dú)建立每個支腿的模型，最后通過節(jié)點(diǎn)耦合方式建立架橋機(jī)的整體模型。利用ANSYS軟件建立的架橋機(jī)有限元模型如圖2所示。

3 載荷施加

架橋機(jī)工作時受到的載荷主要有各組成部件的自重、天車與起吊物的自重以及施工環(huán)境中的風(fēng)載荷。對于各組成部件的自重，可以通過命令A(yù)CEL，，9.8，0的方式進(jìn)行施加。對于天車與起吊物的自重，可以通過集中力的方式施加在主梁上。對于架橋機(jī)所受到的風(fēng)載荷，通過式（1）進(jìn)行計算。

[Pw=CpA] （1）

式中：[Pw]為最大風(fēng)載荷，N；[C]為風(fēng)力系數(shù)；[p]為計算風(fēng)壓，N/m2；[A]為迎風(fēng)面積，m2。

架橋機(jī)在架設(shè)過程中最高承受7級風(fēng)壓，在過孔過程中最高承受6級風(fēng)壓，在非工作狀態(tài)時最高承受11級風(fēng)壓。當(dāng)風(fēng)向垂直于施工方向，架橋機(jī)會受到最大風(fēng)荷載，承受風(fēng)載荷的部件主要包括主梁及五個支腿。風(fēng)力系數(shù)取1.7，6級、7級、11級風(fēng)的計算風(fēng)壓分別為250 N/m2、350 N/m2、1 000 N/m2。7級風(fēng)及6級風(fēng)各部分機(jī)構(gòu)所受風(fēng)載荷以均布載荷的形式施加在受風(fēng)面上。架橋機(jī)載荷施加如圖3所示。

4 有限元計算分析

架橋機(jī)的作業(yè)過程可以分為兩個階段，第一個階段是架設(shè)過程，第二個階段是過孔過程。下面分別選取兩個對影響架橋機(jī)結(jié)構(gòu)較大的工況進(jìn)行計算分析。采用許用應(yīng)力法式（2）對整機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度校核［5］。

[σ≤σ=σsn] "（2）

式中：[σs]為材料的屈服極限；[n]為材料的安全系數(shù)；[σ]為材料的許用應(yīng)力。

采用式（3）對整機(jī)進(jìn)行剛度校核。

[YL≤L500] "（3）

式中：[L]為跨度；[YL]為架橋機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的Y向變形結(jié)果。

4.1 工況一

架橋機(jī)受橫向7級風(fēng)影響，前天車提蓋梁會移動至架設(shè)跨的跨中，此時由2、3號支腿支撐整機(jī)。計算結(jié)果如圖4和圖5所示。由此可知，架橋機(jī)整體的最大等效應(yīng)力為188.65 MPa，發(fā)生在2號支腿托輥輪箱中部，其材質(zhì)為Q355，許用應(yīng)力為236.7 MPa，因此架橋機(jī)的整體強(qiáng)度滿足要求。架橋機(jī)整體的最大Y向變形為-81.9 mm，出現(xiàn)在主梁架設(shè)跨跨中。主梁允許最大撓度為84 mm，因此架橋機(jī)整體剛度滿足要求。

4.2 工況二

架橋機(jī)受橫向6級風(fēng)過孔到40 m臨界狀態(tài)，此時由2、3、4號支腿支撐。計算結(jié)果如圖6和圖7所示。由此可知，架橋機(jī)整體的最大等效應(yīng)力為231.28 MPa，發(fā)生在下弦桿上2號腿支撐處，其材質(zhì)為Q460，許用應(yīng)力為306.7 MPa，因此架橋機(jī)的整體強(qiáng)度滿足要求。

5 結(jié)論

本研究采用ANSYS有限元軟件，對DF40/200型架橋機(jī)在危險工況下進(jìn)行了有限元分析，得出以下結(jié)論。

①架橋機(jī)在7級風(fēng)條件下進(jìn)行架設(shè)工作，其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度均滿足使用要求。

②架橋機(jī)在6級風(fēng)條件下進(jìn)行過孔，其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度均滿足使用要求。

③通過對架橋機(jī)主梁的應(yīng)力和變形結(jié)果進(jìn)行分析表明，主梁的金屬結(jié)構(gòu)存在優(yōu)化空間，為之后的架橋機(jī)主梁優(yōu)化提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

［1］孫振軍，侯杰，崔國華，等.JQS35-220t步履式雙導(dǎo)梁架橋機(jī)主梁靜態(tài)特性與模態(tài)分析［J］.機(jī)械設(shè)計，2021，38（4）：95-101.

［2］彭華.500 t輪軌式提梁機(jī)設(shè)計及有限元分析［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2021，50（5）：195-197，273.

［3］趙長勇，張系斌，翟曉鵬.基于ANSYS參數(shù)化語言APDL的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計［J］.山西建筑，2008（3）：362-363.

［4］韓林山，牛帥，靳康.基于ANSYS的DP60/30B型節(jié)段拼裝架橋機(jī)金屬結(jié)構(gòu)有限元分析［J］.河南科技，2017（23）：23-25.

［5］全國起重機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.起重機(jī)設(shè)計規(guī)范：GB/T 3811—2008［S/OL］.https：//std.samr.gov.cn/gb/search/gbDetailed？id=71F772D76EE6D3A7E05397BE0A0AB82A.