，，

(南通大學(xué)，江蘇 南通 226019)

0 引言

造橋機(jī)也稱移動模架系統(tǒng)(Mobile Scaffolding System，簡稱MSS)是一種先進(jìn)的橋梁施工設(shè)備，在公路橋、鐵路客運(yùn)專線上應(yīng)用較為廣泛[1-2]。移動模架造橋機(jī)結(jié)構(gòu)龐大，受力復(fù)雜。造橋機(jī)在施工過程中，因設(shè)計不合理、操作不規(guī)范等原因造成模架的側(cè)翻、機(jī)械傷害、人員傷亡事故時有發(fā)生。為確保造橋機(jī)能夠達(dá)到施工要求和機(jī)構(gòu)安全可靠，有必要對其進(jìn)行理論校核。造橋機(jī)屬于大型非標(biāo)設(shè)備，行業(yè)內(nèi)有關(guān)造橋機(jī)的設(shè)計多停留在經(jīng)驗(yàn)或類比的階段，存在著因側(cè)重安全而造成材料浪費(fèi)、因側(cè)重經(jīng)濟(jì)性而增加安全隱患的問題。

支撐托架是高墩混凝土橋懸臂澆注時的主要支承，需要保證施工過程中結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求。并且在造橋機(jī)前移工況中要吊裝支承托架實(shí)現(xiàn)前后托架的倒換，因而設(shè)計出結(jié)構(gòu)輕巧，適應(yīng)性強(qiáng)的支承托架具有重要的實(shí)用價值。本文以恩納斯重工有限公司自行研制的造橋機(jī)支承托架為研究對象，以ANSYS軟件為工具，給出了造橋機(jī)最不利工況下，支承托架的有限元法分析過程。并在靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，對支承托架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計計算，達(dá)到減輕自重、提高材料利用率目的。

1 力學(xué)性能計算

1.1 模型合理簡化

采用ANSYS軟件對支承托架進(jìn)行有限元建模時，若全部反應(yīng)其真實(shí)結(jié)構(gòu)，那么復(fù)雜程度非常高。因此，在滿足計算結(jié)果的前提下，對模型的實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行下列簡化：

1)忽略焊縫連接處因焊接原因產(chǎn)生的材料特性的改變；

2)假設(shè)通過螺栓連接的鋼板緊密貼合，能完全進(jìn)行力的傳遞；

3)忽略結(jié)構(gòu)中的小尺寸結(jié)構(gòu)，如螺栓孔、小筋在建模時可以省略；

4)為方便施加荷載和簡化模型，建模過程省略了內(nèi)模、外模和吊架[3]。

1.2 參數(shù)化建模

采用自下而上建立模型。在建模過程中采用國際單位制，即長度單位是mm、力的單位是N、質(zhì)量單位是t、應(yīng)力單位是MPa。模型建立時保證主要結(jié)構(gòu)在幾何形狀及尺寸大小與CAD圖紙?zhí)峁┑臄?shù)據(jù)相一致，使得模型更加真實(shí)的反應(yīng)實(shí)際情況?？紤]結(jié)構(gòu)整體和局部的穩(wěn)定性，必須采用板殼單元進(jìn)行模擬。因此在ANSYS中選用Shell63彈性板殼單元對其進(jìn)行模擬。各部件所用鋼材為Q345鋼，相應(yīng)參數(shù)為彈性模量：E=2.06×1011Pa；泊松比u=0.3；密度ρ=7850 kg/m3；重力加速度為10 m·s-2。網(wǎng)格劃分時應(yīng)兼顧網(wǎng)格數(shù)量、網(wǎng)格疏密、單元階次、網(wǎng)格質(zhì)量四個方面[4-5]。造橋機(jī)支承托架結(jié)構(gòu)的截面參數(shù)較多，我們將根據(jù)實(shí)際設(shè)計需要選定6個設(shè)計變量，分別是T1-下張拉梁底板厚度，T2-下張拉梁側(cè)板厚度，T3-下張拉梁頂板厚度，T4-斜撐板厚，T5-上張拉梁板厚，T6-橫梁板厚。可用矩陣X={X1，X2，X3，X4，X5，X6}分別表示支承托架相關(guān)截面尺寸，設(shè)計變量幾何意義見圖1。

圖1 支承托架有限元模型

1.3 載荷及邊界條件處理

最不利工況下，支承托架以上部件產(chǎn)生的載荷將以集中力的方式等效施加在托架相關(guān)節(jié)點(diǎn)上(表1)。約束支承托架下張拉梁底面及側(cè)面節(jié)點(diǎn)三個方向自由度，約束上張拉梁Y方向自由度。

表1 滿載制梁工況加載方法

1.4 計算結(jié)果

運(yùn)行求解后得到支承托架Von-Mises應(yīng)力云圖(圖2)。可以看出支承托架最大豎向撓度為19.4 mm，應(yīng)力峰值為209.3 MPa。根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計手冊》[6]中Q345材料的許用應(yīng)力為345 MPa，這里取安全系數(shù)為1.33，則許用應(yīng)力為[σ]=σs/n=345/1.33=259.4 MPa。可知在滿載制梁工況下，支承托架滿足結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度要求。其應(yīng)力峰值距離許用應(yīng)力值259.4 MPa有一定富余，具備優(yōu)化空間。

圖2 優(yōu)化前支承托架Von-Mises云圖

2 支承托架優(yōu)化設(shè)計

2.1 優(yōu)化模型

支承托架優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型可做如下表述：

(1)設(shè)計變量：X=[X1，X2，X3，X4，X5，X6]T=[T1，T2，T3，T4，T5，T6]

(2)設(shè)計參數(shù)約束條件：

X1∈[40，60]，X2∈[30，50]，X3∈[11，21]

X4∈[20，30]，X5∈[15，25]，X6∈[25，35]

應(yīng)力約束條件：

g(x)=σi-[σe]≤0

式中：[σe]表示許用應(yīng)力，取259.4 MPa。

(3) 目標(biāo)函數(shù)

式中：n表示單元數(shù)目，vi表示單元體積。

將以上分析過程作為一個分析文件保存后，進(jìn)入后處理階段，提取狀態(tài)變量后進(jìn)入優(yōu)化模塊，進(jìn)行優(yōu)化變量、狀態(tài)變量、目標(biāo)函數(shù)的聲明。利用上面優(yōu)化設(shè)計的步驟對建立好支承托架的參數(shù)化模型進(jìn)行優(yōu)化分析，設(shè)置迭代次數(shù)為20。

2.2 優(yōu)化結(jié)果

圖3 重量迭代曲線

運(yùn)行優(yōu)化程序后得到目標(biāo)函數(shù)重量WT(單位：t)迭代曲線(圖3)。將優(yōu)化后的截面尺寸帶入模型重新計算得到優(yōu)化后的應(yīng)力分布圖形(圖4)。

圖4 優(yōu)化后支承托架Von-Mises云圖

通過對支承托架進(jìn)行優(yōu)化分析，同時可以得到支承托架在優(yōu)化后主要截面尺寸數(shù)值，優(yōu)化前后截面尺寸的數(shù)值均發(fā)生了改變(表2)。

表2 優(yōu)化前后各截面尺寸的變化

3 結(jié)果分析

將優(yōu)化后的截面尺寸值代入?yún)?shù)化模型進(jìn)行驗(yàn)算。經(jīng)過優(yōu)化，支承托架的主要截面尺寸值相較于初始值都發(fā)生了不同程度的改變，支承托架總重量從18.4 t下降到17.1 t，下降了1.3 t，下降百分比為7.1%；總變形從19.4 mm上升到22.7 mm，上升了3.3 mm，上升百分比為17%；應(yīng)力峰值從209.3Mpa上升到242.6 MPa，上升了33.3 MPa，上升百分比為15.9%。

4 結(jié)論

1)對造橋機(jī)支承托架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了最不利工況下的強(qiáng)度、剛度分析。由分析結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度滿足要求。

2)采用ANSYS一階優(yōu)化算法對支承托架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，使支承托架構(gòu)件截面尺寸得到了不同程度的改變，優(yōu)化后應(yīng)力分布更加合理，重量得到了下降。

3)建議對優(yōu)化后的下面部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)改善以提高安全儲備。支承托架斜撐、立撐與下張拉梁結(jié)合處的應(yīng)力水平較高，需注意監(jiān)測，建議適當(dāng)加強(qiáng)橫梁側(cè)向剛度。

基金項(xiàng)目：江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)；江蘇省墻體材料革新科研項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：201703)；南通市應(yīng)用研究計劃項(xiàng)目(GY2016054)。