商鵬 （河北工業(yè)大學 天津300130）

張杰 張國芹 （天津重鋼機械裝備股份有限公司 天津300459）

基于有限元方法的架橋機牛腿結構設計、校核與優(yōu)化

商鵬 （河北工業(yè)大學 天津300130）

張杰 張國芹 （天津重鋼機械裝備股份有限公司 天津300459）

牛腿支撐結構是下行式架橋機的核心支撐部件。該部分結構一般由兩個橫梁和一個支架組成三角形結構，且連接固定方式一般采用焊接，局部受力大的地方采用法蘭盤連接，該部分受力較復雜，是整個機械結構的基石，因此驗證和完善其結構的合理性是非常必要的工作。根據(jù)架橋機技術參數(shù)對牛腿結構進行合理設計并結合有限元方法分析其工作狀態(tài)下的應力應變，并進一步完成了結構優(yōu)化設計，得出牛腿結構的更優(yōu)模型，從而保證了架橋機整體穩(wěn)定性。

牛腿結構 下行式架橋機 有限元 結構優(yōu)化

0 引言

下行式架橋機由支撐托架及支腿、推進小車、液壓設備、主梁、鼻梁、龍門吊和節(jié)段懸掛梁組成，本文研究對象為其核心受力部件牛腿結構，即下部支撐托架部分。該部分結構一般由2個橫梁和1個支架組成三角形結構，且連接固定方式一般采用焊接，局部受力大的地方采用法蘭盤連接，大體結構如圖1所示。本文需要根據(jù)架橋機技術參數(shù)對牛腿結構進行合理設計，然后結合有限元方法分析其工作狀態(tài)下的應力應變，并進一步進行結構優(yōu)化設計。

圖1 牛腿支撐結構

1 主要技術參數(shù)

架設方式：單跨簡支架設。架設梁跨：32 m、24 m、20 m等跨及變跨整孔箱梁。梁體起落速度：0～0.5 m/min。吊梁縱移速度：0～3 m/min（重載）；0～6 m/min（空載）。梁體橫向微調速度：0～0.14 m/min。微調距離：200 mm。梁體吊裝方式：三點。過孔方式：架橋機主機借助下導梁自行過孔，自行速度0～3 m/min；主機用懸臂梁、吊梁行車、輔助支腿和下導梁天車吊運下導梁過孔。外形尺寸：7 m×5 m×4 m。上部結構重量：250 kN/m。最大工作荷載為：370 t。最小曲線半徑為600 m。施工周期為6～9 d。

2 力學分析

選擇材料為Q245鋼，方剛壁厚為30 mm，得知該鋼材的最大壓應力為100.5×106Pa，經(jīng)過校核得到最大壓應力大于許用應力，受力分析如圖2所示：

圖2 受力分析圖

3 架橋機牛腿CAD模型的建立

采用截斷三角支撐降低托架高度的方案（見圖3），不需另外增加穩(wěn)定的支撐點，并將截斷部分改制成法蘭聯(lián)接，使支撐托架既滿足低墩又適應高墩的需要，讓下行式架橋機擁有上行式架橋機的架設功能。

4 有限元分析與結構優(yōu)化

4.1 架橋機牛腿的有限元分析

4.1.1 幾何模型建立 牛腿在建立幾何模型時，考慮到分析的側重點及網(wǎng)格劃分的需要，對實際結構做以下簡化：①所有的鋼板與鋼板之間的焊接均采用連續(xù)全透焊接，不考慮焊縫材料特性的變化，認為焊接處的材料特性與相鄰結構的材料性能相同；②忽略了箱型梁內部橫向加強豎板中為減輕重量而割去的小方孔；③忽略兩腹板上空孔邊緣處的橫向筋板；④此外忽略兩端的聯(lián)接螺栓孔。

圖3 牛腿的CAD造型圖

4.1.2 單元類型選擇 牛腿的橫梁是由幾種不同厚度鋼板焊接而成的空間結構，在建立有限元模型時，選擇solid45實體單元。

4.1.3 有限元網(wǎng)格劃分 牛腿有限元模型建立過程中，單元網(wǎng)格劃分采用智能分網(wǎng)和人工網(wǎng)格相結合的方法。建立的有限元網(wǎng)格劃分模型如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分圖

4.2 架橋機牛腿結構有限元模型的載荷處理

經(jīng)過實體建模、網(wǎng)格劃分得到有限元模型后，進入施加載荷階段。ANSYS中要不同形式的施載荷加到模型上，以達到不同分析的需要。載荷可分為邊界條件和實際外力兩大類。

根據(jù)各自的結構特點及工程實際情況的需要，選擇合適的載荷形式和加載方式。在牛腿結構的有限元模型中，載荷按如下方式處理：

4.2.1 牛腿結構的自重 牛腿結構建模過程中，在前處理模塊中輸入材料的密度，在求解模塊中輸入重力加速度，ANSYS便可根據(jù)所輸入的單元截面形狀、實常數(shù)等信息自動將其處理為分布載荷加載到結構上。

4.2.2 載重力 上部架橋機工作狀態(tài)下的整機的重力，可簡化為集中載荷施加在主導梁的相應部位上。

4.3 牛腿結構的有限元數(shù)值分析

按照上述分析和設計建立后支腿不利工況下的架橋機整體力學計算模型，運用ANSYS計算軟件中的有關結構的靜力計算對這兩種不利工況下架橋機的金屬結構進行內力和應力的計算。在計算時將兩種工況分別按照起重機設計規(guī)范中的載荷組合施加載荷與約束，得到圖5與圖6所示變形和內應力分布云圖。

圖5 整體變形量

圖6 總內應力分布云圖

根據(jù)應力分布和變形云圖可以看出主要變形在橫梁的正上方，故而可以在橫梁的右端進行加固，而在兩側可以進行去材，以達到其結構的優(yōu)化。最大應力出現(xiàn)在牛腿下部與橋墩固連部分，所以該處的焊接質量需嚴格保證，避免焊接工藝上的小缺陷導致支撐結構的失穩(wěn)。

4.4 有限元優(yōu)化結構的過程和結果

ANSYS程序提供了一些優(yōu)化工具和方法，本項目選用零階方法使用約束函數(shù)與目標函數(shù)逼近的方法求解（見表1）。

表1 優(yōu)化前后尺寸對比

經(jīng)計算可知：優(yōu)化后牛腿橫梁的長、寬、高都減小了10%，截面慣性模量增加6%，壁厚也減少了10%。說明材料經(jīng)過優(yōu)化后得到了合理的分配利用，節(jié)省材料的同時，提高了力學性能，大大加強了結構的合理性和生產(chǎn)過程中的使用性。

5 結論

本文根據(jù)給定的下行式架橋機設計參數(shù)，針對其核心支撐部件——牛腿結構進行了設計和強度校核，并完成了優(yōu)化設計工作，為后續(xù)的整機設計工作打下堅實基礎?！?/p>

[1]趙海峰，蔣迪.A N SY S 8.0工程結構實例分析[M].北京：中國鐵道出版社，2004.

[2]尚曉江，邱峰，趙海峰.A N SY S結構有限元高級分析方法與范例應用[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[3]劉國慶，楊慶東.A N SY S工程應用教程[M].北京：中國鐵道出版社，2003.

2011-06-09