基于万能杆件和ANSYS的钢模台车绿色设计研究

杨蔚华 陈永清

(三峡大学机械与材料学院,湖北宜昌 443002)

钢模台车是一种用于隧道工程进行混凝土衬砌的工程机械设备,在铁路、公路及水利水电工程施工中被广泛使用.但是,在隧道施工中,由于地质类型不同以及隧道断面尺寸的差异,几乎是每一种断面就要设计制造一台钢模台车,而且以往台车的绝大多数杆件以焊接方式连接,工程完后一般不能再重复利用,因此不具备通用性,不能作为设备管理,拆装需要焊接技术熟练的工人,而且可拆卸性和可回收性差,造成了大量的资源浪费,施工成本增加.例如:在水布垭工程建设中,使用完后的钢模台车除钢材可作废品处理收回部分外,其余必须全部摊销完,在既定的浇筑量情况下,施工方为水布垭尾水下段的钢模台车就承担了约110万的亏损[1].因此,如何合理设计钢模台车,不仅可使台车易于拆卸,方便运输,更能便于回收重复利用,节约成本,经济效益显著,成为名副其实的“绿色工程机械”,是一个值得研究的课题.

1 钢模台车绿色设计的关键技术

随着国家经济建设的飞速发展和各种大型工程项目的逐步开工,工程机械的种类和数量不断增加,为保护人类宝贵且有限的资源,实现全球可持续发展,可以预见开发研制环保节能的绿色工程机械产品将是今后工程机械发展趋势的主流.绿色工程机械产品首先体现在绿色设计上.绿色设计与传统设计方法不同,它是进行产品的全寿命周期设计,即在产品的整个生命周期内,着重考虑产品环境属性(可拆卸性、可回收性、可维护性、可重复利用性等),并将其作为设计目标.绿色设计体现了各环节间的信息交流与反馈,具有较强的学科交叉特性,是面向对象技术、并行工程、生命周期的一种系统设计方法[2].

为方便并服务于工程机械的装配、拆卸、维修和回收,可拆卸分解性能在绿色工程机械设计中得到了突出强调[3].目前,钢模台车产品面临的问题正是产品可拆卸性和可回收性差,因此钢模台车绿色设计要着力解决的关键技术应体现在以下两个方面:(1)产品可回收性设计(Design For Recycling,DFR)[4]:要求在初期设计时考虑其零件回收及再生的可能性.针对钢模台车的结构特点,可以借鉴“搭积木”的方法,采用可回收材料和可回收性结构设计;(2)产品可拆卸性设计(Design For Disassembly,DFD)[4]:使产品容易拆卸并能从材料回收和零件重新使用中获得最高利润.只有使钢模台车易于拆卸才能实现最大限度的材料回收和可能的零部件再利用,因此在钢模台车的初始设计阶段就要考虑使用完后的拆卸问题,采取可拆卸性结构设计.

2 应用万能杆件对钢模台车进行改进设计

为实现钢模台车的可拆卸和可回收,首先在设计之初把材料的选用作为突破口.钢模台车主要为桁架结构,以往主要采用各种型钢拼焊而成.而万能杆件作为一种常备式工程施工辅助设备,也可以用来拼成桁架、墩架等,例如:用万能杆件组拼成架桥机臂架、龙门起重机门架、塔架、便梁、吊篮和作业平台等施工设备.更重要的是各万能杆件之间通过节点板用螺栓进行连接,拼拆容易,可重复利用,便于无吊机配合的高塔组拼;而且组合、配置形式灵活,可根据结构受力情况进行多种截面的组合,组装成等强度梁,力学性能得以充分的利用[5],因此万能杆件在各项工程施工中得到了广泛采用,并已在国内形成系列标准件.如果将万能杆件应用在钢模台车的结构上,就有可能实现可拆卸和可回收,但是如何将万能杆件合理地应用在台车上还需深入研究.

万能杆件的类型有铁道部门生产的甲型(又称M型)、乙型(又称N型)和西安筑路机械生产的乙型(称为西乙型).三者在结构、拼装形式上基本相同,仅弦杆角铁尺寸、部分缀板的大小和螺栓直径稍有差异.本文拟采用西乙型,西乙型万能杆件共有大小杆件24种.其中杆件及拼接用的角钢零件9种、节点板9种、缀片3种,尺寸规格和力学特性均可查相关标准,还有支座1种,螺栓两种[6].

图1是三峡电站尾水隧洞用钢模台车的结构简图[7],主要由顶模、边模、门架体、行走系统、液压系统等几个部分组成.其中顶模与边模的外形为曲面,不便使用万能杆件,而台车的主体为门架,门架重量约占整车的一半以上且适于用万能杆件,因此,选择台车门架为具体研究应用对象.

图1 三峡电站尾水隧洞钢模台车结构图

台车的主要设计参数如下:门架基本尺寸为10 m×9.5m×18 m(长×宽×高),要求台车下部能通过5t自卸汽车.原始设计方案的门架采用了工字钢、角钢、H 型钢3种钢材类型,共6种尺寸规格,同一类型的钢材长度存在差异,共用了840根杆件,且大部分采用焊接.在保证原有结构和性能参数不变并满足其工况要求的前提下,现用万能杆件来代替各杆件,如同搭积木,组拼成门架.用万能杆件组拼成桁架时,其高度可为2m、4m或2m的倍数.当高度为2m时,腹杆为三角型,当高度和宽度为4m时,腹杆为菱形,高度超过6m时,则可做成多斜杆的形式.根据万能杆件组拼原则,在设计时主要取高度为2m的网格,钢模台车长度方向10m划分成2m×5的网格,考虑通过5t自卸汽车要求,高度方向18m划分成4m+2 m×7的网格,侧面宽9.5m则划分成2m×2+1.5m+2m×2的网格(预留1.5m考虑弯道拼接,不采用万能杆件).

万能杆件拼装形式有单拼、双拼、三拼和四拼等几种形式[5].由于钢模台车门架所承受的顶部和侧部载荷较大,故主立柱和上下两根主横梁为4N①[6]或4N②四根角钢组拼,其截面形式为“”,中间立柱和横梁受力次之,采用两根角钢2N②组拼,其截面形式为“”;正面斜拉杆则采用两根角钢2N⑤组拼,其截面形式为”;侧面斜拉杆和连接梁承受载荷不大,根据长度不同可采用单根角钢N⑤或N④联结.万能杆件组拼后的结构如图2所示.

图2 万能杆件组拼的钢模台车结构简图

3 ANSYS在钢模台车绿色设计中的应用

以上用万能杆件组拼得到的钢模台车门架结构是否能满足工作要求?即:其强度和刚度是否满足要求还需进一步研究验证.由万能杆件组拼的门架属于超静定空间桁架结构,对于杆件的受力分析和强度计算,传统上一般用力学知识的四大强度理论来解决,但是作为钢模台车门架结构一般有上百甚至上千根杆件,要一一对其进行受力分析,工作量繁重而又易于出错,甚至根本不能够计算.即使能计算出来,有时为了安全起见也要加上一个较大的安全系数,这样不仅使生产周期加长,设计成本增加,而且产品往往过于笨重,因此有悖绿色设计的宗旨,这也说明了绿色设计必须有相应的设计技术做支持.有限元分析方法是解决复杂结构分析的有效技术,ANSYS就是一种有效的有限元分析工具,通过ANSYS进行有限元分析不需要建造物理模型,减少了试制的费用和设计成本,缩短了设计和分析的循环周期,增加了产品和工程的可靠性,而且在ANSYS分析的基础上可以对原始方案做改进和优化设计,从而降低材料成本和消耗,使工程机械在源头上减少环境污染和资源浪费,因此,ANSYS在工程机械的绿色设计中逐步得到了应用和推广.以下基于ANSYS对前面建立的钢模台车门架结构进行有限元分析.

3.1 门架结构有限元分析模型的建立

万能杆件门架的桁架主要由不同组合的角钢杆件、节点板和连接螺栓组成,其特点是杆件的长度远大于杆件的截面高度,杆件之间通过节点板用螺栓进行连接,连接处的刚性不如杆件本身,这样就可以把杆件连接点作为节点,把节点之间的构件作为一个梁单元,杆件间的连接均假设为铰接,这样门架空间桁架可以简化为有限个梁单元铰接于节点的结构体进行分析.根据门架尺寸进行实体建模,杆件采用ANSYS中的BEAM4单元进行模拟,根据万能杆件组拼的4种不同的杆件截面形式:4L100 mm×12 mm、2L100mm×12mm、2L75mm×8mm和1L75mm×8 mm等设置4种单元实常数,杆件材料为Q235,弹性模量E为2.1×1011Pa,泊松比为0.3,密度为7850 kg/m3,在ANSYS前处理中设置材料属性和单元属性,划分单元后得到有限元模型如图3所示,模型共包含312个节点和858个单元.

图3 万能杆件组拼的门架有限元模型

3.2 载荷及工况处理

载荷计算:

(1)门架自重:设置钢材密度,并设置重力加速度9.8m/s2,结构自动产生重力;

(2)门架顶部弧段新浇铸的混凝土高约2 m,对顶模板产生的压力约938t,合计9.192 4×106N,平均分配到门架顶部的12个支撑点处,每个节点施加垂直方向的受力为766033N.

(3)门架两侧面直段的新浇混凝土对模板产生的侧压力F,按照以下公式[8]计算

式中,γ为混凝土的重力密度,24kN/m3;H为混凝土侧压力计算位置处至新浇混凝土顶面的总高度,3m;L为直段新浇混凝土的长度,9.5m;B为直段新浇混凝土的宽度,3m.平均施加到门架侧面底部高度为3 m范围内的12个节点上,每个节点受力171000N.

(4)约束.门架支腿下的约束都按固定铰支设置,在支撑点处各设置X、Y、Z3方向的位移约束.

取最危险工况:自重+顶模板压力+侧压力,利用ANSYS的静力学求解功能进行结构的强度和刚度计算.经ANSYS后处理得到了结构的应力(Von Mises应力)和位移分布分别如图4和图6所示.为了与改进设计相对照,对没有应用万能杆件的原始设计也用ANSYS进行了有限元分析,应力和位移结果分别如图5和图7所示.

4 改进设计与原始设计的对比

通过以上ANSYS的有限元分析结果,可以看出改进设计和原始设计的结构最大应力都出现在门架主立柱的根部,最大垂直位移均出现在门架顶部受力节点处.虽然危险部位相同,但是在数值上有较大差异,现将得到的结果对比列于表1.

表1 原始设计与改进设计性能对比

原始设计和改进设计的材料均为Q235钢,取安全系数为1.3,则许用应力为180MPa,由最大应力结果可以看出两种设计均满足静强度要求,同时位移均较小,也满足刚度要求,而且改进设计的各类杆件的轴向力均在杆件承受的外力范围之内,因此,两个结构设计方案都是安全的.但是进一步分析可以看到,与原始设计相比,用万能杆件组拼的结构自重下降了约43%;杆件绝大多数为标准件,杆件种类较少;另外,改进设计的最大应力明显大于原始设计且在安全范围内,说明材料的力学性能得到了更充分的发挥,结构性能得到了一定程度上的优化.而原始设计则趋于保守,而且需要大量不同型号和长度的钢材,造成运输和安装的困难,由于是焊接故结构的可拆卸性差,杆件的重复利用率极低,形成大量的资源浪费.从以上比较结果可以看出:改进后的设计不仅可使台车门架易于拆卸,方便运输,便于回收重复利用,而且结构更优化,成本更少,经济效益更显著,向“绿色工程机械”迈进了一步.

5 结 论

对钢模台车门架结构的设计进行了改进,采用具有半刚性联接特性的万能杆件替代以往的刚性联接件,达到了拆卸方便、重复使用、降低成本的目的;另外,利用ANSYS有限元分析软件在台车门架设计阶段就通过建立其实体模型,对所设计的产品进行了实况模拟,对其结构承载性能进行了评估,这样既保证了设计的安全合理性,又对实现最优化设计、提高设计效率、节约设计成本具有重要作用.两种应用均在一定程度上体现了绿色设计的内涵.可以预测,万能杆件和ANSYS在类似钢模台车等工程机械的绿色设计中将有较好的应用前景.

[1]周志武.钢模台车在水布垭电站尾水洞衬砌施工中的应用[J].湖北水力发电,2007(3):20-22.

[2]鲁士军,郭海艳.绿色工程机械产品是未来发展的必然趋势[J].起重运输机械,2007(7):9-11.

[3]周松波,杨金晓,左 鸿等.绿色工程机械及其设计[J].建筑机械,2003(12):39-41.

[4]曾庆良,许 艳.机械工业产品的绿色设计研究[J].现代机械,2005(2):58-62.

[5]单学东.试论常备式万能杆件的用途[J].甘肃科技,2004,20(6):33-34.

[6]交通部第一公路工程总公司.桥涵(下)[M].北京:人民交通出版社,2001.

[7]王亚明,詹剑霞,汪文亮.钢模台车在三峡地下电站尾水变顶高段的应用[J].葛洲坝集团科技,2007(4):14-16.

[8]江正荣.建筑施工计算手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.