基于ANSYS的桁架式桥梁检测车伸缩臂的结构优化设计

孙小军 王艳辉 崔 哲 李善辉

1.徐州徐工随车起重机有限公司 江苏徐州 221000; 2.燕山大学机械工程学院 河北秦皇岛 066000

随着国家对交通建设投入的逐年增大,我国桥梁数量迅速增加［1］。但由于桥梁长期处于工作状态,会出现结构老化以及产生疲劳裂纹［2］。因此,需要定期对桥梁进行检测与维护,这就需要桥梁检测车来完成。

伸缩臂是桥梁检测车的执行机构,除受自身重力外,还承受外加载荷,其设计的合理与否直接影响整机的稳定性和安全性［3-4］。因此,在满足基本臂、伸缩臂大刚度和强度的需求前提下,最大限度降低伸缩臂质量是桁架桥梁检测车设计生产急需解决的重要问题。

为此,建立了8种典型伸缩臂方案有限元模型,运用ANSYS软件进行有限元分析,对该8种方案的最大等效应力、最大位移和质量进行比较,以确定伸缩臂结构最优方案。

1 伸缩臂有限元分析

1.1 伸缩臂结构介绍

某型号桁架式桥梁检测车,其结构主要包括底盘、转台、主臂、连接架、垂直臂、二回转、基本臂及伸缩臂等,如图1所示。

图1 桁架式桥梁检测车结构示意图

工作平台包括基本臂与伸缩臂,伸缩臂通过滑块和滑道与基本臂连接,通过拖链驱动完成伸缩臂的伸缩动作。由于桁架结构具有轻盈、跨度范围大等优点,所以伸缩臂采用桁架结构。桁架伸缩臂结构设计方案非常丰富,其中比较典型的8种结构形式如图2所示。

图2 8种伸缩臂结构设计方案示意图

1.2 伸缩臂有限元分析模型

为保证伸缩臂计算的准确性,选取上车结构作为整体进行有限元分析。分析工况为桥梁检测车工作时最危险工况,即主臂变幅30°,二回转变幅60°,伸缩臂伸出5600mm,基本臂和伸缩臂施加600kg均布载荷。结构件均采用solid186单元。伸缩臂有限元分析模型如图3 所示。

图3 伸缩臂分析整机有限元模型

该桥梁检测车转台、主臂、连接架的材料均选用碳素结构钢Q690,垂直臂和二回转的材料均选用碳素结构钢Q550,基本臂和伸缩臂的材料均选用7005铝管,取结构件安全系数n=2.75。各部件材料属性如表1所示。

2 有限元分析结果

该型号桥梁检测车在最危险工况下方案d整机位移分析结果如图4所示。其中伸缩臂臂头最大位移为354mm。

表1 材料性能参数

图4 方案d整机位移云图

方案d伸缩臂等效应力如图5所示。

图5 方案d伸缩臂等效应力云图

由图5可以看出,方案d最大等效应力位于基本臂滑块与伸缩臂接触的地方,通过其他方案的计算结果发现伸缩臂最大应力均位于此处。

该型号桁架式桥梁检测车伸缩臂8种方案计算结果如表2所示。

从表2可见,该型号桁架式桥梁检测车8种方案伸缩臂臂头最大位移位于354～372mm之间,其中方案c和方案d位移最小。从最大应力计算结果可以看出,较好方案有方案f、b和d。通过对比该8种方案的质量,可见方案c和方案d的质量最小。

基于以上对某型号桁架式桥梁检测车8种方案伸缩臂计算结果进行比较,综合考虑最大位移、最大应力以及质量这3种因素,发现方案c和d最大位移最小且质量几乎一样,但方案d最大应力相对于方案c减小15.8%。方案f虽最大应力较d小,然而方案d刚度优于方案f,且方案d质量相对于方案f质量减轻10.1%。因此,选取方案d为桁架式桥梁检测车伸缩臂的最优方案。

表2 8种方案计算结果

3 结论

通过ANSYS软件提供的APDL参数化建模语言,建立了某型号桥梁检测车伸缩臂8种不同方案有限元分析模型,并进行了分析。综合比较了不同方案的位移、等效应力和伸缩臂质量,最终选择了最优设计方案d。