基于有限元方法的架桥机牛腿结构设计、校核与优化

商鹏 （河北工业大学 天津300130）

张杰 张国芹 （天津重钢机械装备股份有限公司 天津300459）

基于有限元方法的架桥机牛腿结构设计、校核与优化

商鹏 （河北工业大学 天津300130）

张杰 张国芹 （天津重钢机械装备股份有限公司 天津300459）

牛腿支撑结构是下行式架桥机的核心支撑部件。该部分结构一般由两个横梁和一个支架组成三角形结构，且连接固定方式一般采用焊接，局部受力大的地方采用法兰盘连接，该部分受力较复杂，是整个机械结构的基石，因此验证和完善其结构的合理性是非常必要的工作。根据架桥机技术参数对牛腿结构进行合理设计并结合有限元方法分析其工作状态下的应力应变，并进一步完成了结构优化设计，得出牛腿结构的更优模型，从而保证了架桥机整体稳定性。

牛腿结构 下行式架桥机 有限元 结构优化

0 引言

下行式架桥机由支撑托架及支腿、推进小车、液压设备、主梁、鼻梁、龙门吊和节段悬挂梁组成，本文研究对象为其核心受力部件牛腿结构，即下部支撑托架部分。该部分结构一般由2个横梁和1个支架组成三角形结构，且连接固定方式一般采用焊接，局部受力大的地方采用法兰盘连接，大体结构如图1所示。本文需要根据架桥机技术参数对牛腿结构进行合理设计，然后结合有限元方法分析其工作状态下的应力应变，并进一步进行结构优化设计。

图1 牛腿支撑结构

1 主要技术参数

架设方式：单跨简支架设。架设梁跨：32 m、24 m、20 m等跨及变跨整孔箱梁。梁体起落速度：0～0.5 m/min。吊梁纵移速度：0～3 m/min（重载）；0～6 m/min（空载）。梁体横向微调速度：0～0.14 m/min。微调距离：200 mm。梁体吊装方式：三点。过孔方式：架桥机主机借助下导梁自行过孔，自行速度0～3 m/min；主机用悬臂梁、吊梁行车、辅助支腿和下导梁天车吊运下导梁过孔。外形尺寸：7 m×5 m×4 m。上部结构重量：250 kN/m。最大工作荷载为：370 t。最小曲线半径为600 m。施工周期为6～9 d。

2 力学分析

选择材料为Q245钢，方刚壁厚为30 mm，得知该钢材的最大压应力为100.5×106Pa，经过校核得到最大压应力大于许用应力，受力分析如图2所示：

图2 受力分析图

3 架桥机牛腿CAD模型的建立

采用截断三角支撑降低托架高度的方案（见图3），不需另外增加稳定的支撑点，并将截断部分改制成法兰联接，使支撑托架既满足低墩又适应高墩的需要，让下行式架桥机拥有上行式架桥机的架设功能。

4 有限元分析与结构优化

4.1 架桥机牛腿的有限元分析

4.1.1 几何模型建立 牛腿在建立几何模型时，考虑到分析的侧重点及网格划分的需要，对实际结构做以下简化：①所有的钢板与钢板之间的焊接均采用连续全透焊接，不考虑焊缝材料特性的变化，认为焊接处的材料特性与相邻结构的材料性能相同；②忽略了箱型梁内部横向加强竖板中为减轻重量而割去的小方孔；③忽略两腹板上空孔边缘处的横向筋板；④此外忽略两端的联接螺栓孔。

图3 牛腿的CAD造型图

4.1.2 单元类型选择 牛腿的横梁是由几种不同厚度钢板焊接而成的空间结构，在建立有限元模型时，选择solid45实体单元。

4.1.3 有限元网格划分 牛腿有限元模型建立过程中，单元网格划分采用智能分网和人工网格相结合的方法。建立的有限元网格划分模型如图4所示。

图4 网格划分图

4.2 架桥机牛腿结构有限元模型的载荷处理

经过实体建模、网格划分得到有限元模型后，进入施加载荷阶段。ANSYS中要不同形式的施载荷加到模型上，以达到不同分析的需要。载荷可分为边界条件和实际外力两大类。

根据各自的结构特点及工程实际情况的需要，选择合适的载荷形式和加载方式。在牛腿结构的有限元模型中，载荷按如下方式处理：

4.2.1 牛腿结构的自重 牛腿结构建模过程中，在前处理模块中输入材料的密度，在求解模块中输入重力加速度，ANSYS便可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。

4.2.2 载重力 上部架桥机工作状态下的整机的重力，可简化为集中载荷施加在主导梁的相应部位上。

4.3 牛腿结构的有限元数值分析

按照上述分析和设计建立后支腿不利工况下的架桥机整体力学计算模型，运用ANSYS计算软件中的有关结构的静力计算对这两种不利工况下架桥机的金属结构进行内力和应力的计算。在计算时将两种工况分别按照起重机设计规范中的载荷组合施加载荷与约束，得到图5与图6所示变形和内应力分布云图。

图5 整体变形量

图6 总内应力分布云图

根据应力分布和变形云图可以看出主要变形在横梁的正上方，故而可以在横梁的右端进行加固，而在两侧可以进行去材，以达到其结构的优化。最大应力出现在牛腿下部与桥墩固连部分，所以该处的焊接质量需严格保证，避免焊接工艺上的小缺陷导致支撑结构的失稳。

4.4 有限元优化结构的过程和结果

ANSYS程序提供了一些优化工具和方法，本项目选用零阶方法使用约束函数与目标函数逼近的方法求解（见表1）。

表1 优化前后尺寸对比

经计算可知：优化后牛腿横梁的长、宽、高都减小了10%，截面惯性模量增加6%，壁厚也减少了10%。说明材料经过优化后得到了合理的分配利用，节省材料的同时，提高了力学性能，大大加强了结构的合理性和生产过程中的使用性。

5 结论

本文根据给定的下行式架桥机设计参数，针对其核心支撑部件——牛腿结构进行了设计和强度校核，并完成了优化设计工作，为后续的整机设计工作打下坚实基础。■

[1]赵海峰，蒋迪.A N SY S 8.0工程结构实例分析[M].北京：中国铁道出版社，2004.

[2]尚晓江，邱峰，赵海峰.A N SY S结构有限元高级分析方法与范例应用[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

[3]刘国庆，杨庆东.A N SY S工程应用教程[M].北京：中国铁道出版社，2003.

2011-06-09