孫志剛 趙勇

摘 要：對(duì)4.2 m小型液壓伸縮攤鋪機(jī)熨平板進(jìn)行縱向變形分析、熱變形分析、熱結(jié)構(gòu)耦合分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)加裝拉索或拉桿對(duì)熨平板加長(zhǎng)段最外端進(jìn)行加固，并提高熨平板的縱向剛度，增加板厚或增設(shè)加強(qiáng)筋，對(duì)懸掛箱體橫梁與側(cè)板連接處以及調(diào)節(jié)螺柱處進(jìn)行改善，為后續(xù)熨平板結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：攤鋪機(jī)；熨平板；變形；熱結(jié)構(gòu)耦合

中圖分類號(hào)：U415.52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Analysis of HeatStructure Coupling of Screed of 4.2 m Pavers

SUN Zhigang1，2， ZHAO Yong2

（1. School of Management， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400067， China；

2. XCMG Construction Machinery Co. Ltd.， Xuzhou 221004， Jiangsu， China）

Abstract： Analysis of vertical deformation， heat deformation and heatstructure coupling was conducted on the screed of the 4.2 m hydraulic telescopic paver， and it is found out that the outer end of the extension part of the screed can be enhanced with a zipper or pull rod， and the vertical strength is also improved； the increase of screed thickness and the introducing of reinforcing rib will improve the joint of hanging box beam and later plate and the spot where adjusting stud is on. The suggestion provides a basis for structure improvement and optimization of screed.

Key words： paver； screed； deformation； heatstructure coupling

0 引 言

攤鋪機(jī)熨平板的主要作用是將前面螺旋布料器送來(lái)的松散、堆積的瀝青混合料，按照一定的寬度、拱度和厚度，均勻地?cái)備佋诼坊?；其次，?duì)鋪層進(jìn)行初步預(yù)壓實(shí)[1]。由于熨平板與混合料直接接觸，熨平板結(jié)構(gòu)的剛度會(huì)直接影響到攤鋪后的路面質(zhì)量；而熨平板作業(yè)過(guò)程中既受縱向?yàn)r青混合料工作阻力的作用，又受到熨平板底板高溫?zé)彷d荷的作用，情況較為復(fù)雜。為獲得熨平板綜合變形情況，需對(duì)其進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)多物理場(chǎng)耦合分析。

在對(duì)熨平板結(jié)構(gòu)剛度分析方面，馮忠緒[23]等分析了9 m熨平板的縱向變形，通過(guò)試驗(yàn)分析垂向變形，提出了減小變形量的相應(yīng)措施；并對(duì)10 m熨平板進(jìn)行熱變形分析，提出了熱變形補(bǔ)償措施。侯有良[4]研究了12 m機(jī)械拼裝熨平板在靜力、熱變形和激振力作用下，其拉桿安裝位置和組合方式對(duì)熨平板變形的影響。上述文獻(xiàn)主要針對(duì)單一物理場(chǎng)下熨平板結(jié)構(gòu)的變形情況進(jìn)行了研究，而對(duì)于多場(chǎng)耦合下小型熨平板結(jié)構(gòu)的變形分析，目前尚不多見(jiàn)。筆者基于42 m小型液壓伸縮熨平板的結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)，分析了其縱向變形和熱變形，并在此基礎(chǔ)上對(duì)其在熱結(jié)構(gòu)耦合下的綜合變形進(jìn)行分析，找到了該結(jié)構(gòu)剛度較薄弱的環(huán)節(jié)，為后續(xù)減小熨平板變形量、提高作業(yè)質(zhì)量以及進(jìn)一步拓寬該熨平板的攤鋪寬度提供了理論參考。

1 熱結(jié)構(gòu)耦合分析的基本思路

耦合分析分為直接耦合分析和間接耦合分析。直接耦合分析是指利用包含所有與耦合場(chǎng)相關(guān)的自由度的耦合單元類型，通過(guò)求解包含所需物理量的單元矩陣或載荷向量的方式進(jìn)行耦合，通常一次分析便能得出所需的耦合場(chǎng)分析結(jié)果；間接耦合分析是指按照順序進(jìn)行兩次或多次相關(guān)場(chǎng)分析，獲得所需的耦合場(chǎng)分析結(jié)果。間接耦合通常是將第一次物理場(chǎng)分析的結(jié)果作為第二次物理場(chǎng)分析的載荷，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)兩種場(chǎng)的耦合。

對(duì)于熱結(jié)構(gòu)耦合分析而言，推薦使用間接法，因?yàn)檫@種方法可以使用所有熱分析和結(jié)構(gòu)分析的功能[5]。熱結(jié)構(gòu)間接耦合分析一般先根據(jù)溫度邊界條件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱分析，然后將熱分析得到的節(jié)點(diǎn)溫度結(jié)果作為“溫度載荷”施加到后續(xù)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中，從而得到溫度載荷下結(jié)構(gòu)的熱膨脹位移和應(yīng)力。由于攤鋪機(jī)熨平板工作時(shí)要對(duì)其進(jìn)行充分的預(yù)熱，因此，可以認(rèn)為熨平板的分析類型為穩(wěn)態(tài)熱分析，且基于如下能量平衡方程

[K]{T}=[Q]（1）

式中：[K]為傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)及輻射率（本文未考慮）和形狀系數(shù)；{T}為節(jié)點(diǎn)溫度向量；[Q]為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包含熱生成。

基于線性靜力結(jié)構(gòu)分析的平衡方程為

[K]{x}=[F]（2）

式中：[F]為靜力載荷，不考慮隨時(shí)間變化的載荷和慣性的影響；{x}為位移矩陣，即需要求解的熨平板結(jié)構(gòu)的變形量；[K]為剛度矩陣，假設(shè)材料滿足線彈性和小變形理論。

整個(gè)分析流程如圖1所示。

圖1 熱結(jié)構(gòu)耦合分析流程

根據(jù)使用軟件的不同，上述分析流程略有差別，但最終都是將熱分析的結(jié)果作為溫度載荷施加到結(jié)構(gòu)場(chǎng)中，從而獲得耦合場(chǎng)的分析結(jié)果。

2 熨平板縱向變形分析

攤鋪機(jī)在作業(yè)時(shí)，瀝青混合料對(duì)熨平底板產(chǎn)生摩擦阻力，熨平板推移混合料時(shí)產(chǎn)生移動(dòng)阻力，二者共同形成熨平板的工作阻力，從而使其兩側(cè)產(chǎn)生向后的彎曲變形，且攤鋪寬度越大，變形現(xiàn)象越嚴(yán)重。endprint

對(duì)于大型攤鋪機(jī)熨平板，因攤鋪寬度通常在9 m以上，一般在其兩端安裝有拉索，選擇合適的拉索預(yù)緊力和拉索作用位置能夠有效地改善熨平板的縱向變形情況；而對(duì)于42 m小型熨平板，其攤鋪寬度較小，通常不設(shè)置拉索，而是做成懸臂的形式。

圖2為4.2 m小型液壓伸縮熨平板的結(jié)構(gòu)，其主體主要由3段構(gòu)成，分別是基礎(chǔ)段、伸縮段和加長(zhǎng)段。熨平板結(jié)構(gòu)整體采用Q345普通碳鋼材料，材料屬性如表1所示。

在進(jìn)行有限元分析前，為了便于加載，對(duì)邊界條件的施加作如下假定。

（1） 工作阻力按均布力加載在熨平板底板各段后端1/3處，方向與底板成3°夾角，并指向攤鋪機(jī)前進(jìn)方向的反方向[6]。

（2） 工作阻力的載荷集度近似按1 t·m-1進(jìn)行計(jì)算。

（3） 在大臂連接板處施加固定約束。

基于上述設(shè)定，對(duì)該攤鋪機(jī)熨平板進(jìn)行靜力分析，得到熨平板結(jié)構(gòu)的縱向變形云圖，如圖3所示。

圖3 縱向變形云圖

由圖3可見(jiàn)，熨平板兩側(cè)產(chǎn)生向后的彎曲變形，最大變形發(fā)生在加長(zhǎng)段最外端，數(shù)值為8.280 8 mm，這是由于加長(zhǎng)段處在熨平板的最外端，且無(wú)拉索加固，因而該處變形量較大。

3 熨平板熱變形分析

熨平板的熱變形是由于熨平板在攤鋪?zhàn)鳂I(yè)過(guò)程中，底板與高溫的瀝青混合料相接觸而產(chǎn)生熱膨脹，而熨平板結(jié)構(gòu)各部分的溫度分布不均，使得各部分受熱后的膨脹變形量不一樣，最終導(dǎo)致底板產(chǎn)生向上的翹曲變形。

確定熨平板的熱變形需進(jìn)行兩方面的計(jì)算：按照熱傳導(dǎo)理論，根據(jù)熨平板的熱學(xué)性質(zhì)、內(nèi)部熱源、初始條件和邊界條件，計(jì)算出彈性體內(nèi)各點(diǎn)在各瞬時(shí)的溫度，而前后兩個(gè)溫度場(chǎng)之差就是彈性體的變溫；按照“熱彈性力學(xué)”，根據(jù)彈性體的變溫求出熨平板各點(diǎn)的溫度應(yīng)變[7]。因此，首先應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析。設(shè)環(huán)境溫度為22 ℃，忽略熱輻射，熨平板底板溫度按瀝青混合料的溫度設(shè)定，約為150 ℃，Q345碳鋼材料的線膨脹系數(shù)設(shè)為123×10-5 m·℃-1，導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)為42.6 W·（m·℃）-1。經(jīng)計(jì)算得到熨平板結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分布云圖，如圖4所示。

圖4 溫度場(chǎng)分布云圖

可見(jiàn)，穩(wěn)態(tài)下熨平板溫度自底板至上部，由150 ℃逐漸衰減到環(huán)境溫度22 ℃。進(jìn)一步設(shè)置熨平板與周圍空氣間的對(duì)流傳熱系數(shù)為8 W·m-2· ℃-1，并在大臂連接板處施加固定約束，計(jì)算得到熨平板的熱變形，如圖5所示。

圖5 熱變形云圖

由圖5可知，熨平板各段尤其是加長(zhǎng)段發(fā)生了向上的翹曲變形，最大變形發(fā)生在加長(zhǎng)段最外端，變形量為3867 8 mm。這是由于加長(zhǎng)段的外端為自由端（類似懸臂梁式的結(jié)構(gòu)）所致的。同時(shí)，可以作出熨平板底板各段的熱變形量沿各板長(zhǎng)度方向的變化曲線，如圖6所示。

圖6 熨平板底板各段的熱變形量曲線

可見(jiàn)，熨平板加長(zhǎng)段由于最外端沒(méi)有約束，其熱變形量較伸縮段和基礎(chǔ)段的熱變形量大，且變化急劇，越靠近外端變形量越大；而伸縮段和基礎(chǔ)段由于受兩端側(cè)板的約束，其熱變形的趨勢(shì)相對(duì)平緩。

4 熨平板熱結(jié)構(gòu)耦合變形分析

熨平板在攤鋪?zhàn)鳂I(yè)過(guò)程中，一方面受到攤鋪物料對(duì)其向后的工作阻力作用而發(fā)生向后的縱向變形；另一方面受到高溫瀝青混合料的溫度載荷作用而發(fā)生向上翹曲的熱變形。為獲得熨平板的綜合變形情況，需要同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)場(chǎng)和溫度場(chǎng)因素，進(jìn)行多物理場(chǎng)耦合分析。對(duì)于本例，按圖1分析流程，首先進(jìn)行熱分析，求得結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)；然后將模型中的單元轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析單元，并將上一步求得的熱分析結(jié)構(gòu)當(dāng)作體載荷施加到節(jié)點(diǎn)上；最后定義其余結(jié)構(gòu)分析需要的選項(xiàng)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，從而求出熨平板的綜合變形。

經(jīng)熱結(jié)構(gòu)耦合分析，得到熨平板的綜合變形云圖，如圖7所示。

圖7 綜合變形云圖

由圖7可見(jiàn)，最大變形發(fā)生在熨平板加長(zhǎng)段最外端，方向朝向后上方，大小為10.101 mm。這是由于熨平板受多物理場(chǎng)載荷的共同作用所致。表2列出了對(duì)該攤鋪機(jī)熨平板分析獲得的縱向變形、熱變形和綜合變形情況。

分析發(fā)現(xiàn)，在懸掛箱體橫梁與側(cè)板連接處以及調(diào)節(jié)螺柱處的應(yīng)變能較大，因而這些部位是剛度較薄弱的部位。同時(shí)，這些部位也是連接和傳遞載荷的位置，因此需在后續(xù)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)中加以注意[8]。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1） 經(jīng)對(duì)4.2 m小型攤鋪機(jī)熨平板進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)耦合分析，得知其最大變形量發(fā)生在熨平板加長(zhǎng)段最外端，這是由加長(zhǎng)段類似懸臂梁的結(jié)構(gòu)所決定的，可考慮加裝拉索或拉桿進(jìn)行加固，以提高該部位的剛度。

（2） 通過(guò)對(duì)該攤鋪機(jī)熨平板的縱向變形、熱變形以及熱結(jié)構(gòu)耦合下的綜合變形的計(jì)算和比較，可知縱向變形相對(duì)較大。因此，提高熨平板的縱向剛度是控制變形的關(guān)鍵。

（3） 通過(guò)分析獲得了熨平板結(jié)構(gòu)剛度較薄弱的部位發(fā)生在懸掛箱體橫梁與側(cè)板連接處以及調(diào)節(jié)螺柱處，可考慮增加板厚或增設(shè)加強(qiáng)筋對(duì)該部位進(jìn)行改善，以達(dá)到減小熨平板結(jié)構(gòu)變形量的目的。

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[責(zé)任編輯：譚忠華]endprint