不同支撑下车桥耦合系统的动力学响应分析

侯培海

（中航工业安徽开乐专用车辆股份有限公司，安徽 阜阳 236000）

0 引言

低架桥和电动平板小车共同构成了小车-低架桥系统。在振华港机的设计方案中，3个平行的桁架梁结构构成了低架桥系统并形成两条集装箱运输线，电动平板小车运行在低架桥轨道上。

表1 低架桥组件表

如表1所示，低架桥由桁架梁、轨道、立柱等组成，桁架梁固结在中间及两端立柱上，轨道布置在桁架梁上，立柱与立柱之间采用连杆结构。图1为低架桥结构图。电动平板小车由车轮、车体以及驱动电机等组成，长13.2 m，宽5.9 m，平板小车可并行放置两个集装箱，额定载重量为80t。

图1 低架桥结构图

1 有限元模型

1.1 有限元模型

表2 低架桥、平板小车有限元模型

小车-低架桥系统中，无论低架桥还是小车，均为金属桁架结构，考虑到结构特点和剪力因素，选用BEAM188单元建立小车和低架桥模型，同时计入了剪切效应和大变形效应，如表2、图 2、图 3 所示。

图2 低架桥的有限元模型

图3 平板小车有限元模型图

2.2 模态分析

分析低架桥和平板小车的固有特性，分别提取前20阶固有特性，如表3所示。

表3 小车、低架桥前20阶固有频率

由表3和图4可知，低架桥前几阶固有频率有很大差异，如刚性支座第一阶频率为2.44 Hz，而柔性支撑只有0.85 Hz。而后几阶的频率却相同或相差不大，如第20阶的频率分别为 7.95 Hz、7.29 Hz、7.70 Hz 和 7.34 Hz，最大、最小频率只相差8.3%。平板小车的第一阶固有频率为0，是因为沿X方向（轨道方向）的自由度没有约束，存在刚体运动。

图4 低架桥固有频率变化趋势图

1.3 动力学响应分析

1.3.1 载荷

当平板小车在低架桥上运行时，小车的自重加上其满载时的重量就是其作用在低架桥上的移动载荷，从资料中可获知，平板小车的自重为181.2 kN。满载的重量为80t。计算公式为

式中：F为移动载荷；G1为小车自重；G2为满载重量。

因此，移动载荷F的大小为965.2 kN。

1.3.2 运行过程

假设瞬态分析的时间增量是0.05 s，小车从低架桥一端运行到另一端所需时间为17.75 s。

当平板小车满载从低架桥一端运行到另一端时，其间总行程为57.4 m，运行过程经历了匀加速、匀速和匀减速3个阶段，其中小车匀加速和匀减速的时间都是3.5 s，加速度为1.143 m/s；匀速阶段运行时间为10.75 s，速度4 m/s，如图 5～图 7 所示。

图5 位移时间曲线

图6 速度时间曲线

图7 加速度时间曲线

1.3.3 结果分析

表4为不同支撑形式下各方向的最大位移，从表4可以分析得出以下几点：

1）柔性支撑位移绝对值在X方向和Y方向上分别为1.17 mm和3.05 mm，均为最大值。其次滑动支撑分别为1.12 mm和2.9 mm。综上说明采用铅芯橡胶支座和摩擦滑移支座可以增加低架桥结构的柔性，同时也能降低结构的刚度。

2）在X方向、Y方向和Z方向，刚性支撑的位移绝对值均为最小，这说明较其它的支撑形式，刚性支撑有更好的刚度，然而其柔性是最差的。

3）在所有支撑形式下，Y方向的位移绝对值的最大值均分别出现在Y坐标的5.8 m处和Z坐标的7.1 m处，即平板小车的运行轨道。在平板小车满载运行过程中，轨道处易产生最大的变形。

表4 不同支撑形式下各个方向的最大位移

2 结语

本文介绍了平板小车、低架桥结构并建立有限元分析模型。通过模态分析得出平板小车和不同支撑形式下低架桥的固有频率，并提取前20阶进行对比分析；对平板小车满载时，经历匀加速、匀速和匀减速三种运行状态从一端运行到另一端，在不同支撑形式下低架桥结构的动力学响应进行了研究分析，并详尽比较了不同支撑形式下的响应结果。

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