ANSYS在桥梁检修车结构设计中的应用

王春芳 孔 旭

(武桥重工集团股份有限公司，湖北 武汉430065)

0 前言

桥梁检修车是桥梁检查维护的一种专用设备，能够快速、便捷、安全地将桥梁检修维护人员送达指定的作业位置。其主体结构采用桁架式结构，而随桥梁结构的多样化及对检修车多功能的要求，检修车结构也逐渐变得复杂。

复杂的结构对结构强度计算带了带来了不便，ANSYS有限元分析方法在结构的静力学分析中应用十分广泛，对于用细长杆件型材制成的桁架结构，通常采用梁单元模拟分析；对于局部加强的筋板通常采用壳单元进行模拟。采用ANSYS有限元的分析方法能够快速地计算结构各部分受力情况，及时发现设计中应力集中的位置并迅速进行修改，从而提高设计效率。

1 一种桥梁检查车

1.1 检查车主体结构

如图1所示，根据桥梁结构及对检修功能的要求设计了图示结构桥梁检修车。其主要由上桁架，下桁架，伸缩桁架及走行系统等组成。走行系统布置在上桁架上；上下桁架通过回转支撑连接；通过下桁架上布置的滚轮，伸缩桁架可在下桁架内做伸缩运动。桥梁为变截面预应力混凝土梁结构，沿桥梁纵向布置有轨道，检修车走行系统在轨道上走行，将桥梁检修维护作业人员送到桥梁各个待检修维护的位置。检修车在连续变截面梁跨中运行时，下部伸缩桁架根据梁截面变化在一定范围内伸缩运动；检修车通过桥墩时，中间伸缩桁架可断开，两边小车可独立走行，使小车能够顺利通过桥墩；两侧小车各自通过桥墩后，两侧小车又连为一体，协同作业。

小车主体结构采用标准型材制成的桁架结构。上桁架主弦杆采用120×80×6矩形管，腹杆件采用70×70×5方形管；下桁架主弦杆采用70×70×5方形管，腹杆采用50×50×5方形管；伸缩桁架主弦杆采用50×50×5方形管，腹杆采用40×40×4方形管。主体结构材料采用Q235B。

图1 一种桥梁检修车

1.2 检修车工作载荷说明

检修车电气系统重量约为2吨，对称布置在左右两边上桁架上，另外根据检查车工作时要求检修车伸缩桁架上必须能够承载180kg/m的线载荷。

2ANSYS分析

2.1 梁单元及壳单元

ANSYS梁单元是三维结构的一维理想化单元。ANSYS中具有多种梁单元，其中BEAM188单元是一个二节点的三维线性梁，每个节点具有6或7个自由度，即分别是x轴、y轴、z轴方向位移及绕x轴、绕y轴、绕z轴旋转的自由度，另外当KEYOPT(1)=1时增加一个横截面的翘曲自由度。

壳单元用来模拟薄壁类结构，其中SHELL63单元既具有弯曲能力又具有膜力，即可以承受平面内载荷及承受法向载荷。SHELL63单元的每个节点有6个自由度，即分别是x轴、y轴、z轴方向位移及绕x轴、绕y轴、绕z轴旋转的自由度。

2.2 检修车主体结构有限元分析

检修车主体结构采用桁架式结构，桁架结构各杆件主要受拉力或受压力作用，可采用BEAM188单元进行模拟；局部加强筋板则可以采用SHELL63模拟；由于伸缩桁架通过滚轮与下桁架连接，因此采用耦合的处理方法连接下桁架与伸缩桁架，耦合下桁架与伸缩桁架上各位置接近的节点，可将作用于伸缩桁架上力传递给下桁架。根据检修车结构采用节点方式建立检修车主体结构的ANSYS计算模型，选取伸缩桁架伸缩至最长位置（即检修车运行至梁截面最宽位置）作为最不利工况进行强度计算。根据工作要求施加载荷，约束上桁架与走行系统连接的节点，计算获得其应力云图如图2所示，图3显示了此工况下检修车结构最大应力所在位置。由于结构所选材料为Q235B，则结构安全系数为：S=235/150.8=1.56。

图3 检修车局部结构应力云图

图2 检修车整体结构应力云图

因此，检修车主体结构强度满足要求，但从应力云图可以看出，检修车结构大多位置应力较小，仅在上下桁架连接部位应力较大。为此，对上下桁架之间，桁架结构发生较大变化处进行局部补强，增加筋板。

补强后，重新计算得应力云图如图4所示，最大应力从150.843MPa减小到了47.394MPa，主体结构受力明显减小。图5是上下桁架连接部位增加筋板后的应力云图，从图中可以看出此处局部应力明显减小。因此，修改后的结构使原结构应力集中的情况得到改善，结构设计更为合理。

图4 局部加强后整体结构应力云图

图5 局部加强后局部结构应力云图

3 结束语

ANSYS有限元分析方法能够快速并全面分析整个结构受力情况，并能够查看局部受力情况，以便在设计过程中及时对局部受力较大位置进行加强。ANSYS分析方法能够获得各个局部受力情况，计算效率较高，对机械结构的优化设计有着十分重要的意义。

［1］陈洪军,等.ANSYS在机械与化工装备中的应用[M].北京：中国水利水电出版社,2007.

［2］张质文,虞和谦,王金诺,等.起重机设计手册[S].北京：中国铁道出版社,1998.

［3］械设计手册编委会.机械设计手册[S].北京：机械工业出版社,2004.