（机械设计及理论专业论文）基于有限单元法的架桥机关键技术研究.pdf

摘要 本文以有限元分析软件a n s y s 为工具，对j q l 2 0 架桥机的主梁结构进行了典 型工况下的强度、刚度及稳定性的计算机仿真分析，分析结果为主梁的设计和优 化提供了理论依据；随后对主梁结构进行了偏心脉冲载荷作用下的瞬态动力学分 析，得到了架桥机结构设计时应该满足的动载系数；最后对架桥机的重要承载部 件滚轮的接触应力及影响因素进行了分析，针对“边缘应力效应”，提出了 采用空心滚轮的设计方案，并对其等效应力和接触应力进行了研究。依据分析结 果选取了滚轮的最优空心度。分析结果表明，只要有效控制滚轮的空心度，空心 滚轮将优于相应的实心滚轮。 关键词：架桥机静力分析屈曲分析瞬态动力学分析接触应力空心滚轮 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si sc o n d u c t e do nt h em a i nb e a m o ft h ej q l 2 0b r i d g e c r a f tw i t ha n s y sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea s t 0 0 1 b yu s i n gt h ef e a ，i t ss t r u c t u r es t r e n g t h ，s t i f f n e s sa n ds t a b i l i t y u n d e rt y p i c a ls i t u a t i o n sa r ec a l c u l a t e db yc o m p u t e rs t i m u l a t i o n a n dt h e r e s u l t sp r o v i d et h et h e o r e t i cb a s e sf o rt h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no f t h em a i nb e a m s u b s e q u e n t l y ，t h et r a n s i e n td y n a m i ca n a l y s i so ft h em a i n b e a mu n d e rt h ea c t i o no fe c c e n t r i cp u l s el o a di sp e r f o r m e d ，a n dt h ed y n a m i c l o a dc o e f f i c i e n tc a nb ed r a w nf r o mt h ea n a l y s i sf o rs t r u c t u r ed e s i g no f t h eb r i d g e c r a f t f i n a l l y ，t h ec o n t a c ts t r e s sd i s t r i b u t i o no fr o l l e ra n d t h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h ec o n t a c ts t r e s sa r ea n a l y z e d i no r d e rt or e d u c e t h ee x i s t i n gs h a r pe d g es t r e s so ft h ec o n t a c ts t r e s s ，i ti sp r o p o s e dt o a d o p th o l l o wr o l l e r sd u r i n gt h ed e s i g no fr e l l e r a f t e r w a r d s ，t h e e q u i v a l e n ts t r e s sa n dc o n t a c ts t r e s so fh o l l o wr o l l e ru n d e rt h ee n d u r i n g l o a da r es t u d i e db ym e a n so ft h ef e a t h ea n a l y t i cr e s u l t ss h o wt h a t ，i f t h e h o l l o w n e s si sc o n t r o l l e dp r o p e r l y ，t h eh o l l o w r o l l e rw i l lb e p r e f e r a b l et oc o r r e s p o n d i n gs o l i dr o l l e r k e yw o r d s ：b r i d g e - c r a f t ；s t a t i ca n a l y s i s ；b u c k l i n ga n a l y s i s ；t r a n s i e n td y n a m i c a n a l y s i s ；c o n l a c ts t r e s s ；h o l l o wr o l l e i 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 论文选题背景 1 1 i 桥粱预制安装法简介1 1 1 近年来，伴随着公路建设的迅速发展，建造的大型桥梁也越来越多，主桥形 式变化较大，而引桥多以混凝土预制梁和连续箱梁为主。随着桥梁类型的增加及 跨径的增大、构件生产的预制化、结构设计方法的改进及桥梁设备的发展，多种 多样的施工方法也应运而生。 在钢筋混凝土桥梁时代，桥梁上部结构施工中采用的主要是就地浇筑的方 法。2 0 世纪7 0 年代以后，随着预应力混凝土的广泛应用，上部结构施工方法得 到了迅速发展，并发生了重大变革，其中一种常用的就是预制安装法。 预制安装法就是在预制工厂或运输方便的桥址附近设置预制厂进行梁的预 制工作，然后采用一定的架设方法进行安装。该施工方法有如下一些特点：1 、 提高工程质量。由于是工厂生产制作，有利于确保构件质量和尺寸精度。并可以 尽可能多地采用机械化施工；2 、加速旋工进度。上下部结构可以平行作业，因 而缩短现场工期；3 、构件预制后由于要存放一段时间，因此在安装时已有一定 龄期，可减少混凝土的收缩、徐变引起的变形。4 、节省支架、模板。预制安装 法施工时常采用无支架或少支架旌工，预制场采用钢模板浇筑预制件，模板反复 使用，达到节约木材的目的。 预制安装法以它施工工艺简单，梁厂布置灵活，特别是模板的重复使用使其 造价降低，而深受广大建设单位的欢迎，在现阶段的桥梁施工中应用非常广泛。 1 1 2 桥梁施工机械的发展 施工是桥梁建设中非常重要的一环，它决定着整个工程的质量和造价等问 题。因此，在桥梁建设中，合理地选择施工机械和施工方法具有十分重要的意义。 随着经济的发展和制造水平的提高，在现代化的桥梁施工中，已普遍使用各种机 械设备( 特别是一些桥梁工程的专用设备) 以代替以往的手工操作，极大地提高 了工作效率，缩短了工期。目前，在国内常用的架桥设备有公路、铁路架桥机， 造桥机，吊篮以及龙门吊等。先进机械设备的大量应用使得各种类型桥梁的施工 方法和施工手段更加丰富，可供选择的施工方案的范围也更加广泛，由此推动了 先进施工技术的发展；反过来说，先进施工技术的发展又促进了桥梁施工机械设 长安大学硕士学位论文 计制造水平的不断提高。 随着桥梁旌工新技术的不断完善，单孔桥跨度也越来越大，由原来的2 0 m 、 3 0 m 发展为现在的3 5 m 、4 0 m 甚至5 0 m ，这充分显示了我国桥梁施工水平的发 展。然而跨度的增大，对混凝土预制梁的安装技术要求也就越高，因此也就应运 而生了大跨度、大吨位且自动化程度高的架梁设备。用于预制构件( 钢筋或预应 力混凝土简支梁) 安装的机械有多种，其中架桥机就是较为常用的一种。架桥机 是桥梁旌工的专用设备，它的发展主要经历了以下三个阶段： l 、悬臂式架桥机：国内第一台架桥机的起步始于2 0 世纪5 0 年代悬臂式架 桥机的研制和使用。这种架桥机结构简单，制造容易，操作简便，使用时故障少， 工作较可靠。同时，适用范围广，可双向架梁，也可架设超长超宽的桥梁。但该 类型架桥机在架梁过程中，需铺设桥头岔线喂梁和吊梁行走。加之轴重很大，桥 头路基压道要求较高，增加了临时工程工作量；另外由于其重心较高，稳定性差。 易发生翻机事故。所以，6 0 年代以后逐步被其它类型的架桥机所替代。 2 、简支式单梁架桥机：单梁架桥机是上世纪6 0 年代后期设计的，它具有如 下特点：轴重轻，对桥头线路无特殊要求，架梁时稳定性好：能依靠自身装置装 梁，自行运梁，直接喂梁，机械化程度较高；吊臂能升降、摆头、前后伸缩，可 以在曲线上或隧道口架梁；同时，单梁架桥机可以装梁、架梁、铺轨( 铁路) 工 作一次完成，简化了架梁工艺，工作效率较高。 3 、支承式双梁架桥机：双梁架桥机是上世纪7 0 年代后设计的架桥机。它除 了具有单梁架桥机的优点外，还具有梁片可直接从运梁平车上起吊，不需要换装； 可一次将梁片架设就位，不需要在墩顶再进行横移：可以在前后方向双向架粱， 反向架梁时不需转向等特点。 经过工程技术人员几十年的努力，在技术上对架桥机进行了多次改进，其设 计水平已得到了很大提高，并向着通用化、标准化及机电液一体化方向发展。 j q l 2 0 架桥机是种用于公路桥梁预制混凝土梁片安装的施工机械，适用于 梁重1 2 0 t ，梁长3 5 m ，梁高3 5 m 以下各种桥梁预制结构件的起重安装工程。 它具有落梁就位准确、适应性强、操纵方便、工作安全可靠、拆装方便，便于运 输等特点。 1 2 研究目的和意义 2 长安大学硕士学位论文 传统的结构设计中，大多是依据个人的经验和简化计算作出初步的设计，再 由此设计做出样机。为安全起见，样机试制后，要对其进行各种模拟工况下的测 试分桁，然后根据分析结果进行设计修改。这种完全用试验来指导设计改进的方 法有如下局限性；1 、试验必须在有实物的情况下进行，厂家必须进行所有改进 结构的试制：2 、试验的周期长，费时费力；3 、结构改进的目标不明确。在这种 情况下如果使用有限元分析法，则能在设计阶段通过大量的分析计算得到关于结 构改进的可行方案，使设计、制造一次完成，进而达到缩短设计周期、提高工作 效率、节约成本的目的。 主梁是架桥机的主要工作部件，其结构强度、刚度及施工过程中的稳定性必 须有充分保证。在以往此类结构的设计过程中，主要是采用依据个人经验，再加 上简单的力学分析的传统设计方法。由于架桥机所面临的工作环境和受力情况较 为复杂，用常规的方法只能以简化方式对主梁结构从总体上作粗略的分析，很难 精确了解主梁具体部位的受力状态。在这种情况下，只能在设计中使用较大的安 全系数来保证主粱的安全可靠。这样就会增加制造成本，甚至会造成材料的浪费。 若使用有限元分析法，则可对主梁在工作过程中出现的各种情况进行理论分析和 数值模拟，从而可较准确、直观地得到主梁各部分的应力、应变等参数的分布情 况。有限元分析结果可以为校核主梁结构承载的安全性及合理用材提供有价值的 参考，并可为其改进设计和结构优化提供理论依据。 由于滚轮机构具有承载能力大、外形尺寸小、重量轻等特点，故被一些新型 架桥机的行走机构所采用。作为架桥机的主要承载部件，滚轮在工作过程中要承 担整个架桥机及梁片的重量，其承载能力的强弱直接关系到架桥机的运行安全。 因此，滚轮在整个架桥机中有着重要的地位。对于滚轮的设计，往往是参照起重 机车轮的设计，采用传统的方法( 即采用赫兹公式) 来计算接触疲劳强度，对其 许用轮压进行校核。但实际上我们对滚轮内在的受力状况并不十分了解，对不同 状态下的滚轮应力变化往往不能作出相应的解释。而采用有限单元法，则可在不 同的接触工况下对滚轮的应力场变化进行分析，进而可在计算结果的指导下对滚 轮进行低应力设计和结构改进，以降低滚轮的应力水平，提高其承载能力及疲劳 寿命。 1 3 论文主要研究内容 3 故安大学硕士学位论文 本文利用有限元分析软件a n s y s 强大的结构分析、屈曲分析、瞬态动力学分 析及接触分析功能对j q l 2 0 架桥机的主梁结构和滚轮结构进行了分析。主要研究 内容如下：。 1 、对主梁结构在纵移、运梁及架边梁三种典型工况下进行强度、刚度分析。 2 、对主梁结构进行了线性和非线性屈曲分析，以及架边粱工况下的横向抗 倾覆稳定性和横向整体稳定性分析。 3 、在架边梁工况的落梁过程中，由于对位的需要，天车起升系统难免反复 起动和制动，其惯性力将引起架桥机总体结构的空间弯扭耦合振动。本文讨论了 对处于偏心动载作用下的架桥机进行空间强迫振动分析的必要性、计算理论和计 算方法，并对主粱结构在此工况下进行了瞬态动力学分析，得到了架桥机支腿设 计中应采用的动载系数。 4 、对滚轮结构进行了轮轨间的接触分析，分析了影响滚轮接触应力和剪切 应力的因素。并针对接触应力的“边缘效应”，从降低滚轮最大接触应力和等效 应力角度出发，提出了采用空心滚轮的设计方案。然后在变载条件下，对不同空 心度的滚轮的等效应力和接触应力进行了分析，找到了二者随空心度及负载的变 化规律，并依据分析结果进行了最优空心度的选择。 - 直 长安大学硕士学位论文 第二章有限单元法及有限元分析软件a n s y s 2 1 有限单元法概述嘲 2 1 1 有限元理论的发展 进行力学分析的方法有多种，但归纳起来可分为两大类，即解析法和数值法。 许多工程分析问题，如固体力学中的位移场和应力场分析、电磁学中的电磁场分 析、振动特性分析、传热学中的温度场分析、流体力学中的流场分析等，都可归 结为在给定边界条件下求解其控制方程( 常微分方程或偏微分方程) 的问题，但 能用解析法求出精确解的只是方程性质比较简单，且几何边界相当规则的少数问 题。对于大多数的工程问题，由于物体的几何形状较复杂或问题的某些特性是非 线性的，则很少有解析解。这类问题的解决通常有两种途径：一是引入简化假设， 将方程和边界条件简化为能够处理的问题，从而得到它在简化状态的解。这种方 法只在有限的情况下是可行的，因为过多的简化将可能导致不正确的甚至错误的 解。因此，人们在广泛吸收现代数学、力学理论的基础上，借助于计算机来获得 满足工程要求的数值解，这就是数值法。近几十年来，髓着计算机技术的不断发 展，该方法越来越多地应用于c a e ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 领域。 有限元法就是这样一种新兴的数值分析方法，它的起源可以追溯到上世纪 4 0 年代初期，当时数学家r c o u r a n t 用三角形单元计算杆件的扭转问题，从数 学角度提出了有限元法的基本观点，m j t u r n e r 将这一方法运用到工程设计中 并加以推广。在5 0 年代中期，他们用平面分析法求解了复杂的飞机结构问题， 得到的有限元方程属于以节点位移为未知量的矩阵位移法。r w c l o u g h 把这种 新的工程计算方法拓广到土木工程领域，并在一篇题为“平面分析的有限单元法” 的论文中首先使用“有限元法”( f i n i t ee l e m e n tw e t h o d ，f e m ) 这个名称。初期 的有限元法都是以单一的位移场作为未知量，它在单元间的边界上满足协调条 件，故称之为位移元或协调元。位移元有列式简单、计算量小、易于在计算机上 实旆的优点。但也有其缺陷，对于平板弯曲问题与薄壳问题，在引用变分法时， 位移元要求挠度及其导数都连续，这样很难建立单元内插值形函数。另外，位移 元对于奇异性问题效率较低，对不可压缩材料存在“自锁”现象。 在1 9 6 0 1 9 7 0 年间，基于各种变分原理的有限元法得到了迅速发展，梅劳 ( r j m e l o s h ) 等人应用势能原理建立了有限元位移模型；卞学磺( p i a n ) 应用 - 5 - 长安大学硕士学位论文 余能原理建立了杂交应力有限元模型；琼斯( r e j o n e s ) 等人应用修正的势能原 理建立了混合有限元模型；艾拉斯( z m e l i a s ) 等人应用余能原理建立了有限元 平衡模型；埃尔曼( l _ r h e r r m a n n ) 应用汉林格一赖斯纳( h l l i n g e r r e i n n e r ) 原理 建立了薄板弯曲的混合型有限元法；律凯维奇( o c z i e n k i e v i e z ) 教授提出了 等参单元的概念。经过众人的努力，使有限元法获得了稳固的理论基础，并在实 践上得到了飞速发展。 有限元法从上世纪5 0 年代至今，经过几十年的发展，不断开拓新的应用领 域。其范围己由杆件结构问题扩展到了弹性力学乃至塑性力学问题；由弹性力学 平面问题扩展到空间问题、板壳问题；由静力学问题扩展到动力学问题、稳定问 题和波动问题；由弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等；由固体 力学问题扩展到流体力学、热力学、电磁学等问题。迄今为止，有限元法除了发 展其自身的理论和方法外，还外延到其它领域，如随机有限元法等。 由于有限元法的数学逻辑严谨，物理概念清晰，易于理解和掌握，能够灵活 地考虑复杂的工况和边界条件，几乎适用于求解所有的连续介质和场问题，并且 设法采用矩阵形式表达，便于编制计算机程序。因此其已被公认为工程分析的有 力工具，广泛应用于机械、航空、水利、建筑等工程结构的设计计算中。 2 1 2 有限单元法的基本原理 有限元法产生于经典力学，遵循基本的力学原理。由于其实质是采用分块近 似插值函数去逼近整体连续函数，可使连续体力学问题得到整体离散逼近、分块 连续的近似数值解，因此比其它数值解法具有更大优越性。 从物理角度理解，有限元法是将无限个质点组成的连续体转化成有限个单元 的集合体，单元间节点处以铰链形式连接，如果能求得各单元的弹性特性，就可 以求得组合结构的弹性特性。这样，在一定的约束条件和载荷作用下，就可以求 出各节点的位移，近而求得节点应力。从数学意义上讲，有限元法实际上是把微 分方程的连续形式转化为线性代数方程组，以便进行数值求解。进一步讲，就是 将求解区域离散化为许多单元，单元内任一点的位移可用单元节点位移的插值来 表示，按原问题的控制和约束条件，可求出节点的位移。 有限元法分析计算的基本原理可归纳如下： 1 、连续体的离散化：从力学上讲是将结构离散化，用有限个容易分析的单 6 长安大学硕士学位论文 元来表示复杂的对象，两相邻单元间只通过若干节点相连接，每个节点对应有限 的自由度，即节点的广义位移。把作用于各单元上的外载荷，按虚功原理转换成 各单元的等效节点载荷，用划分后的有限个单元的集合体，代替原来的连续体。 2 、单元分析：有限元法是以节点参数作为基本未知量，根据所取节点的基 本未知量不同，可将其分为：( 1 ) 位移法：以节点位移为基本未知量；( 2 ) 力法： 以节点力为基本未知量；( 3 ) 混合法：以部分节点位移和部分节点力为基本未知 量。工程上广泛采用节点位移作为单元的基本未知量。有限元法的位移法是根据 分块近似逼近整体的构思，选取一简单多项式函数近似表达单元各位移分量的分 布规律，并把单元任一点位移分量写成统一形式的位移插值函数式，从而可通过 单元节点位移向量，表达单元内任一点的位移、应变和应力。还要保证单元满足 平衡、连续和物理性质等制约条件下，利用变分原理或虚功原理建立单元节点力 向量和节点位移向量之间的特性关系( 形成单元刚度方程式) 。 3 、整体分析：通过节点平衡或协调条件，运用直接叠加原理，将各单元的 特性关系组合成整体连续体的特性关系，即建立整体连续体节点载荷和节点位移 之间的关系( 形成整体刚度方程式) ，得到一组以节点位移分量为未知量的多元 一次联立方程组，再引入约束条件，就可求得连续体力学问题的数值解。 4 、求解未知节点变化量( 动力学场求解位移，结构学场求解应变和应力等) 。 通过上述分析可看出：有限元法的基本思想是“一分一合”，分是为了进行 单元分析，合则是为了对整体结构进行综合分析。这恰好是有限元法的独特之处。 2 1 3 有限元法的解题步骤 通常，有限元程序包含前处理( p r e p r o c e s s i n g ) 、求解程序( s o l u t i o n ) 和 后处理( p o s t p r o c e s s i n g ) 三部分。 1 、前处理 ( 1 ) 定义单元类型、实体常数及材料特性；( 2 ) 建立几何模型；( 3 ) 划分 单元网格；( 4 ) 确定边界条件。 2 、求解程序 ( 1 ) 计算单元刚度矩阵k r ，再由k 组合成结构总体剐度矩阵k ；( 2 ) 系统外载向量的组合仁 ；( 3 ) 线性代数方程求解k ) 一仁 ；( 4 ) 通过反算法 求应力、应变、反作用力等。 7 长安大学硕士学位论文 3 、后处理：将求解结果以各种不同方式把等位移图、等应力图显示出来a 有限元分析的流程如图2 1 如示： 应用有限元法 解题的步骤如下： 1 、单元划分和 插值函数的确定 根据结构的几 何特性、边界条件等 情况，建立由各种单 元组成的计算模型。 再按单元的性质和 精度要求，写出表示 单元内任意点的位 移函数u ( x ，y ，z ) ， v o ，y ，z ) ，啦，y ，z ) 或d = s “y ，z 扣。 图2 1 有限元分析流程图 利用节点处的边界条件，写出以a 表示的节点位移 q 。一k 。v 。w th ：v ：w ：r ，并写成矿c a ( 2 1 ) 由口= c - 1 q 。，并代a 。d = s a ，得d ；s c - 1 q 一u q ( 2 2 ) 它是用节点位移表示单元体内任意点位移的插值函数式。 2 、单元特性分析 根据位移插值函数，由弹性力学中给出的应变和位移关系，可计算出应变为： 一砌。 ( 2 3 ) 式中，口为应变矩阵 相应的变分为：拈一b 国。( 2 - - 4 ) 由物理关系，得应变与应力的关系式为o = d e = d b q 。( 2 - - 5 ) 式中，d 为弹性矩阵 8 长安大学硕士学位论文 由虚位移原理f v 如7 砸y - 6 ( q 。) 7 ，。，可得单元节点力与位移之间的关系式 为：f et kqt(2-6) 式中，k 。是单元刚度矩阵，并记作k 。- r ，b 7 d m v ( 2 7 ) 3 、单元组集 把各单元按节点组集成与原结构相似的整体结构，得到整体结构的节点力与 节点位移的关系式，即整体结构平衡方程组 ，一均 ( 2 8 ) 式中，置整体结构的剐度矩阵； ，总体载荷列阵； 口整体结构所有节点的位移列阵。 4 、解有限元方程 可采用不同的计算方法解有限元方程，得出各节点的位移。在解题之前，必 须对结构平衡方程组进行边界条件处理，然后再解出节点位移q 。 5 、计算应力 若要求计算应力，则在计算出各单元的节点位移矿后，自p - 助。和口= d 即可求出相应的节点应力。 2 2a n s y s 软件简介嘲 2 2 1a n s y s 软件的功能 1 9 7 0 年，j o l l ns w o o n 博士洞察到计算机模拟工程应该商品化，于是创建 了a n s y s 公司，总部位于美国宾夕法尼亚州的匹兹堡。3 0 多年来，a n s y s 公 司致力于设计分析软件的开发，不断吸取新的计算方法和计算技术，引领着有限 元技术发展的潮流。 a n s y s 软件是一个融结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体 大型通用有限元软件，该软件能实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一 体化，实现多场及多场耦合分析，具有多物理场优化及强大的非线性分析功能。 其主要功能有：结构分析、热分析、模态分析、热结构耦合分析、优化设 计等。a n s y s 软件不断吸收计算方法和计算机技术的最新进展，将有限元分析、 9 长安大学硕士学位论文 计算机图形学和优化技术相结合，已成为解决现代工程问题的有力工具。它广泛 应用在机械、土木、电子及航空等领域，都能达到某种程度的可信度。 a n s y s 软件按功能可分为若干个处理器：一个前处理器、一个求解器、两 个后处理器，几个辅助处理器如优化设计器等。前处理器用于生成有限元模型， 指定随后求解中所需的选择项；求解器用于施加载荷及边界条件，完成求解计算； 后处理器用于获取并检查求解结果，以对模型做出评价。 2 2 2a n s y s 软件的特点 a n s y s 软件的主要技术特点如下： 1 、通过使用统一的数据库存储模型数据及求解结果，来实现前后处理、分 析求解及多场分析的数据统一。 2 、强大的建模功能。a n s y s 具备三维建模能力，依靠的g u i ( 图形界面) 就可建立各种复杂的几何模型。 3 、强大的求解功能，用户可根据分析要求及硬件配置选择合适的求解器。 4 、具有强大的非线性分析功能，可进行几何非线性、材料非线性及状态非 线性分析。 5 、具有智能网格划分功能，能根据模型的特点自动生成有限元网格。 6 、良好的优化功能。利用a n s y s 的优化设计功能，用户可以确定最优设计 方案；利用a n s y s 的拓扑优化功能，用户可以对模型进行外型优化，寻求物体 对材料的最佳利用。 7 、可实现多物理场及多物理场耦合分析，研究各物理场间的相互影响。 8 、提供与其它程序接口。a n s y s 提供了与多数c a d 软件及有限元分析软 件的接口程序，可实现数据共享和交换，如u n i g r a p h l c s 、p r o e n g i n e e r 、 n a s t r a n 、a l g o r - - f e a 、id e a s 、a u t o c a d 、s o l i d w o r k s 等。支持的图形 传递标准有：s a t 、p a r a s o l i d 、s t e p ；支持的硬件平台有：i n t e lp c 、s g i 、l i p 、 s u n 、a l p h a 、i b m 、c r a y 。 9 、良好的用户开发环境。a n s y s 开放式的结构可使用户利用a p d l 、u i d l 和u p f s 对其进行二次开发。 1 0 长安大学硕士学位论文 第三章架桥机的基本结构、工作流程h 3 3 1 架桥机的基本结构 架桥机主要有主梁、天车、前支腿、中支腿、后支腿、连接横梁、驱动机构、 枕梁、液压系统、电气系统、控制系统等组成，其基本构造如图所示： 图3 - - 1 架桥机的基本结构 1 、主粱 主梁的总体结构为双梁式桁架，通过前后横梁组成一个水平框架。各节段桁 架均为空间三角形结构，即一根上弦杆、两根下弦杆，用腹杆和水平联在横向相 连，其横截面形式如图3 2 所示。主梁共有两根，每根主梁的上、下弦杆均为 型钢焊接而成的箱形结构( 其中上弦杆所用型钢为h 3 5 0 x1 2 5 x 7 1 1 ：下弦杆所用型钢为h 2 5 0 x1 2 5 x 6 x 9 ) ， 并用角钢将两根下弦杆连成桁架形式；为便于制造，腹 杆设计时均采用同一规格型钢h 1 4 8 1 0 0 6 x 9 。对中 支腿支承处受力较大节作了局部加强( 增设竖腹杆) 。各 节段弦杆与腹杆间采用全焊接；下平联由角钢构成“k ” 形结构。由于平联角钢要承受整机纵移力，同时整机横 移时下弦杆也承受较大的横向力，所以下平联角钢间隔 图3 2 主粱的横 截面形式 较近，约为1 1 8 5 m ，同时亦满足纵移油缸行程( f 一1 3 m ) 的要求。 主梁总长6 1 8 5 m ，共6 节( 其中5 节长1 1 m ，1 节长6 8 5 m ) ，节与节之间 采用销轴连接，主梁标准节如图3 3 所示： 图3 3 主梁标准节 - 1 1 长安大学硕士学位论文 2 、天车 天车是用钢板焊接而成，并与车轮组、减速机、制动器、电机等部件装配， 形成一套可以自由纵横移动的起升系统。天车移动采用调频器调速，使其移动速 度从零开始，保证起吊平稳、安全。天车上装有横移滑动支架，卷扬机和静滑轮 组安装在滑动支架上，用丝杠拖动滑动支架完成边梁横移到位。 3 、前支腿 前支腿由外箱体、内箱体、支腿油缸、连接横梁、横移驱动机构、枕梁、液 压泵站等组成。内、外箱体和支腿油缸组合在一起。通过液压泵站供油，从而完 成支腿的自由伸缩。横移油缸安装在连接横梁箱体内，油缸带动横移驱动机构与 中支腿横移机构一起完成架桥机的横移。 4 、中支腿 中支腿包括横粱、托架、纵移驱动机构、横移驱动机构、枕梁、液压泵站等 部件。中支腿的上、下箱体通过法兰形式的压板相连接，二者可相对旋转，进而 满足架设斜桥的工程要求。 5 、后支腿 后支腿由内箱体、外箱体、支腿油缸等组成。内、外箱体可相对滑动，支腿 油缸配合内、外箱体调节主梁高度，使主梁尽可能与桥面平行。架桥机纵移时， 砼预制粱的一端作为配重压在运梁平车上，运梁平车通过连接销轴与后支腿连 接，进而随架桥机一起移动。 3 2 架桥机的工作流程 架桥机拼装完后，首先将天车空车运行、纵横移机构反复移动，确认在各个 工况下都正常，然后进行满载荷试验，试验完成后按照下面工序进行工作： 圈垂五j 委薹：j i 固一圜一匪垂i i i i 固一厦j 霉一睡堕亘叠垂虱- 匿噩i i i i 鲴 1 、用运梁平车把待安装的大梁前端移动到架桥机尾端下面，然后将运梁平 车支承在后支腿下方，再将前后天车同时移动到架桥机的最后端，用大梁和两个 天车作为架桥机纵移时的配重： 2 、启动架桥机纵移液压系统，纵移就位； 3 、用前天车起吊大梁前端，调整好天车与运梁平车的速度，同时向前移动。 当大梁完全进入架桥机下面时，后天车起吊大梁后端，用两天车起吊，继续向前 1 2 长安大学硕士学位论文 移动大粱至前支腿和中支腿之间； 4 、将后支腿液压缸收缩，使后支腿离开地面。启动架桥机横移系统，移动 架桥机到混凝土梁安装位置； 5 、大梁就位。 架桥机的施工工艺流程如图3 4 图3 9 所示： 图3 4 上一个工序完成 图3 5 中支腿纵移 图3 6 架桥机纵移 | 盘 图3 7 架桥机就位 图3 8 吊梁行走 图3 9 大粱就位 1 3 长安大学硕士学位论文 第四章主梁结构静力分析 主梁结构是整个架桥机的重要组成部分，其强度和刚度的强弱对整个架桥机 的安全使用和性能有着较大的的影响。因此，为了保证架桥机的安全可靠，用有 限元法对主梁结构进行强度和刚度分析是非常必要的。分析结果较常规的解析法 更为准确、可靠，且可获得解析法难以得到的局部区域应力和变形分布规律。 本章选取架桥机施工中具有代表性的级移、运粱及架边梁工况进行主梁的强 度、冈b 度分析，分析结果可以为主梁的结构设计提供有价值的参考，并可为其改 进设计和结构优化提供理论依据。 4 1 主粱结构有限元模型的建立 有限元求解过程中最重要的环节是有限元模型的建立，该过程包括几何建 模、材料属性的定义、单元选择与网格划分，以及约束与载荷的处理等。有限元 分析的计算精度取决于有限元模型，模型必须能够如实反映出结构的力学特性。 有限元模型的建立一般应遵循下列准则： 1 、在保证计算目的和精度的条件下，控制单元数量，关键在予对所关心的 区域进行模拟。在实际建模过程中可以考虑采用局部细化网格，或者建立结构子 模型以减少单元划分数量。 2 、合理选择单元类型，减少输入数据量和计算时间。根据所分析结构的几 何形状特点，综合载荷、约束等因素来确定单元类型。 3 、计算模型中不能有危形结构和局部机动变形。所谓危形结构，就是指受 到很小的载荷作用就会产生非真实大应力响应的结构。一个拉的非常平直的绳子 受到横向力作用就是典型的危形结构的例子。所谓局部机动变形，指受到很小的 作用力，即可产生非常大的不真实变形的结构，如一组平行四边形状的四连杆结 构。这类非弹性结构在机构运动学中可能存在，但在弹性体中是不允许存在的。 因此要在计算模型中小心分析，使之得到有效的约束。 4 、避免病态方程。位移法有限元计算中，如果遇到两个方程系数的差值过 大( 一个非常柔的结构和一个很刚的结构相连接时就会产生这种情况) ，计算中 会出现两个大数减法，这就大大损失了计算精度，有时会得到错误的结果。这就 是数值计算理论中的病态方程。 5 、正确确定边界条件。 长安大学硕士学位论文 4 1 1 主粱几何模型的建立 用有限元法求解结构问题时，如对实际结构直接进行分析，无论从问题的复 杂程度或节省计算资源方面考虑都是不明智的，因此要在满足准确性的前提下， 首先确定关心的部位，对实际结构进行合理简化。在简化的基础上，建立几何模 型以满足有限元分析的要求。例如，在进行有限元分析时，往往只要求了解某些 部位和区域而不是整个结构的应力分布情况，因此在建立几何模型时，就无需将 所有特性做出来。特别是一些结构较复杂，但又不影响分析区域的特征，完全可 以省略或以一个简单的特征来替代。 鉴于此，在建立主梁结构的几何模型时，在保证模型与实际结构尽可能相一 致，以使模型能够反映主梁的力学特性的原则下，对实际结构作必要的简化： 1 、略去了主梁上弦杆中的内筋板，由此得到的结果将偏于安全； 2 、假定主梁中所有焊缝为连续全透焊，且不考虑焊缝处材料特性的变化， 认为焊接处的材料特性与相邻结构的材料性能相同； 3 、主梁与横粱通过螺栓联接，螺拴被旆以较大的预紧力，横梁与主梁的连 接钢板紧密贴合，能进行力的传递，将横梁与主梁假设成一体： 4 、忽略主梁结构上的螺栓孔、横梁与主梁的联结翼缘等对分析结果影响不 大的微小结构。 4 1 2 材料性能参数的确定： 主梁结构所用的材料主要为普通碳素钢q 2 3 5 ，部分上、下弦杆材料为低合 金高强度钢1 6 m n ，在模型中对应各构件分别施加所需材料常数： q 2 3 5 ：弹性模量e 一2 0 x 1 0 5 m p a ；密度p 一7 8 5 0 k g m 3 ；泊松比 = o 2 6 ： 许用应力p 1 口5 = 1 6 0 m p a 1 6 m n ：弹性模量e 一2 1 x 1 0 5 m p a ；密度p 一7 8 5 0 k g m 3 ；泊松比a = 0 2 7 5 ； 许用应力p l m = 2 4 0 m p a 4 1 3 单元类型的选择及有限元网格的划分 1 、单元类型的选择 架桥机主梁为三角桁架结构，其主要由三角构架单元和端构架单元构成，基 本单元的不同构件之间采用的是全焊连接。对于型钢组成的结构，常用的方法是 一1 5 长安大学硕士学位论文 将结构抽象为理想铰接或理想刚接的杆系结构，按刚架或桁架进行线性或非线性 计算。但在单元类型的选择中考虑到以下因素：按桁架结构采用杆单元( l i n k ) 对主粱进行有限元分析时，对于载荷的处理只能简化。由于桁架结构的杆件不能 承受弯矩，对于作用在杆件中间的一些载荷只好按杠杆原理分配到节点上。这样 处理偏于不安全，尤其是载荷直接作用的那根杆件，与实际受力情况相差很大。 鉴于以上因素，再考虑到主梁基本单元闯的全焊特性，故对主梁按刚架结构 进行处理，即所有杆件均采用梁单元。用空间梁单元( b e a m ) 对主梁结构进行有 限元分析计算能够反映出结构承载的特点，计算精度也较高。 2 、有限元网格的宠 分 有限元分析过程中，网格划分是其中关键的一个步骤，网格划分的好坏直接 影响到计算的精度和速度。为建立正确、合理的有限元模型，划分网格时应考虑 如下一些原则： ( 1 ) 蹲格数量：网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。 通常，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所以在 确定网格数量时应权衡两个因素综合考虑。在划分网格时，应在保证计算精度的 同时，尽量减少网格数量。在决定网格数量时应考虑分析的类型：在静力分析时， 如果仅是计算结构的变形，网格数量可以少一些。如需计算应力，则在精度要求 相同的情况下应取相对较多的网格。同样在响应计算中，计算应力响应所取的网 格数应比计算位移响应多。在计算结构固有动力特性时，若仅是计算少数低阶模 态，可以选择较少的网格，如果计算的模态阶次较高，则应选择较多的网格。 ( 2 ) 网格疏密：网格疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格，这是 为了适应计算数据的分布特点。在计算数据变化梯度较大的部位( 如应力集中 处) ，为了较好地反映数据变化规律，需要采用比较密集的网格。而在计算数据 变化梯度较小的部位，为减小模型规模，则应划分相对稀疏的网格。这样，整个 结构便表现出疏密不同的网格划分形式。划分疏密不同的网格主要用于应力分 析，而计算固有特性时则趋于采用较均匀的网格形式。这是因为固有频率和振型 主要取决于结构质量分布和刚度分布，不存在类似应力集中的现象，采用均匀网 格可使结构刚度矩阵和质量矩阵的元素不致相差太大，以减小数值计算误差。 综合考虑以上网格划分原则，结合实际情况，在主梁的有限元模型建立过程 1 6 长安大学硕士学位论文 中，单元网格的划分采用智能s m a r ts i z e ) 分网和人工划分相结合的方法。分 网精度根据分析目的及分析对象的受载情况、结构的尺寸等来决定。建立的主梁 结构有限元模型如图4 1 所示。 图4 1 主粱结构有限兀模型 4 1 4 边界条件的处理 1 、载荷的处理 有限元法中认为力是通过节点来传递，在整体刚度方程中的载荷项均为节点 载荷。因此，当单元受有均布载荷或其它非节点载荷时，必须将其向节点移置， 即将非节点载荷换算成作用在节点上的效果相当的集中载荷( 称等效节点载荷) 。 非节点载荷移置方法如下：( 1 ) 有非节点载荷作用的单元的两端位移完全约 束住，再根据材料力学中求支反力的方法，求得梁单元两端的反力，称固端力； ( 2 ) 将固端力反号，并进行坐标变换，即得整体坐标系中的等效节点载荷，可 将它直接输入结构整体刚度方程的载荷向量中去进行计算。 对于主梁所受外载荷的处理，是将作用在主梁上的外载荷简化为等效载荷加 到主梁的相应部位上。在有限元模型中，载荷按如下方式处理： ( 1 ) 主粱的自重：在前处理程序中输入材料的密度，在求解程序中输入重 力加速度，程序便根据所输入的单元截面形状、实常数等信息，自动将其处理为 分布载荷加载到结构上； 长安大学硕士学位论文 ( 2 ) 行走在主梁上的天车自重：将其简化为集中载荷，直接施加在主梁的 相应部位上； ( 3 ) 主梁所受的风载：在各种计算工况下均考虑风载所引起的附加横向力 的影响，将主梁所受风载当量成横向的惯性加速度加在模型上。主梁的质量为坍， 再计算出主梁所受的风载p 凡，则由风载所引起的横向加速度a 簟p 凡m ； ( 4 ) 混凝土梁片迎风面所产生的风载：将其作为集中力加在天车车轮作用 的节点上。假定梁片长为z ，高为h ，则其迎风面积a = z h ；根据架桥机工作 的地区，选取风压值口；则梁片迎风面所产生的风载为：- = a x q ，天车每 个车轮处分配到的横向力为：只一矸，8 。 2 、约束条件的处理 约束条件的处理是建立有限元模型中的重点，也是难点。不恰当的约束，会 导致计算结果与实际有较大出入，甚至计算失败。 对结构进行有限元分析，为了使数值存在且唯一，必须消除结构中的刚体位 移，以保证结构总体刚度矩阵非奇异。主粱结构有限元模型中的主要约束问题是 主梁与前、中、后支腿接触处的支承处理问题。处理这个问题的关键是要保证主 梁承受的支承反力与实际相同，并且尽可能避免出现局部应力集中现象。 ( 1 ) 主梁下弦杆与中支腿接触处约束条件的处理：由于架桥机工作时，主 梁下弦杆是压在中支腿托架的滚轮上，故进行计算时，将约束点确定在主梁下弦 杆与滚轮的接触区域。首先考虑用a n s y s 软件中的接触单元来分析，但由于主 梁模型中，单元数颇多，且下弦杆与中支腿有四处接触，接触区域较大( 每个接 触区域长为0 7 8 m ，宽为0 1 8 m ) ，而接触问题属于非线性，求解过程需反复迭 代计算，因而计算量实在太大。况且，实际结构中的接触特性尚不清楚，不能充 分保证计算结果的准确性。基于此，分析时采用另外一种方法一节点自由度耦 合技术，来模拟主梁下弦杆与中支腿的接触。架桥机工作时，主梁下弦杆和滚轮 保持接触，但它们之间沿接触面有相对滑动趋势，故二者相对应的节点间沿接触 面的法向自由度必须耦合( 即限制下弦杆在接触处的垂向位移) ，而切向自由度 则应当释放。 ( 2 ) 主梁下弦杆与前、后支腿接触处约束条件的处理：前、后支腿是通过 长安大学硕士学位论文 螺栓与主梁相连的，因此不能完全按刚接处理( 即完全约束住6 个自由度) 。在 计算中，采用介于完全刚接和完全铰接的办法进行处理，即释放掉一个旋转自由 度，另外5 个自由度采用对应节点耦合。 4 2 计算工况的选择 对主梁结构进行静力分析时，应选取在实际工作中最具代表性的及可能面临 的最不利工况，来分析主梁结构的变形与应力，从而考察主梁在各种工况下的强 度与刚度是否满足要求。架桥机的使用工况虽然很复杂，但可以把它们简化。根 据架桥机的工作状态，本文主要考虑了以下三种有代表性的工况： l 、悬臂纵移工况：当架桥机处于空载向前延伸阶段时，主梁的最不利内力 状态为完全延伸到下一桥墩位置处，而未支承于该桥墩时的状态。该工况下，主 梁受力模型如图4 - - 2 所示，其中p 为前支腿及部分枕梁的重量，q 1 、q 2 为天车 自重，此时主梁处于双向悬臂简支状态。 o 啦p jj 图4 2 悬臂纵移工况时主粱的受力模型 2 、运梁工况：当架桥机完全延伸至下一桥墩上并已可靠支承时，主梁上的 一对天车吊起待安装的混凝土梁。从架桥机的后端行至指定位置而卸下大粱，架 桥机也就完成该跨的吊装任务。该工况下主梁的受力模型为两跨连续梁，如图4 3 所示。图中丑、e 、只、只为天车自重、梁片重量和吊具重量引起的轮压 之和，此载荷为移动载荷。 hp tp ，p ijl j 荔忑1 图4 - - 3 运梁工况时主梁的受力模型 3 、架边梁工况：吊装边梁时，架桥机的外侧支重滚轮横移到待安装边梁位 置的中心，然后用天车上的横移机构将梁片横向移出，进