基于ANSYS的1 500 t造槽机有限元分析

摘 要：【目的】作为大型水利渡槽施工设备，造槽机在投入使用前需要进行强度及刚度校核，以保证施工安全。【方法】以1 500 t U型造槽机为研究对象，采用APDL参数化建模方法，对造槽机进行整体建模。利用ANSYS有限元分析软件，选取最危险浇筑、过孔工况，对造槽机进行有限元分析计算。【结果】通过有限元分析得到了在8级风浇筑混凝土、6级风过孔工况下，整机的应力、位移、屈曲分析结果以及主梁的应力位移变化曲线。【结论】通过对上述工况下应力、位移、屈曲分析结果的研究，验证了造槽机在浇筑工况下，强度、刚度、稳定性均满足使用要求。同时通过分析主梁在不同距离过孔时的应力位移结果，得出造槽机主梁存在可优化空间，为进一步研究造槽机的主梁优化提供参考。

关键词：造槽机；有限元仿真分析；APDL；主梁

中图分类号：TV672.3" " 文献标志码：A" " "文章编号：1003-5168（2024）11-0029-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.11.006

Finite Element Analysis of 1500t Trough Making Machine Based on ANSYS

HAN Linshan WU Chenchen ZHANG Xu

（School of Mechanical Engineering， North China University of Water Resources and Electric Power，

Zhengzhou 450000， China）

Abstract：[Purposes] As a large-scale water conservancy trench construction equipment， the trough making machine needs to be calibrated for strength and stiffness before it is put into use to ensure construction safety.[Methods] In this paper， taking 1500 t U-type slot-making machine as the research object， APDL parametric modelling method is adopted to model the slot-making machine as a whole. Using ANSYS finite element analysis software， the most dangerous pouring and over-hole working conditions are selected to carry out finite element analysis and calculation of the slot-making machine.[Findings]The results of stress， displacement and buckling analyses of the whole machine and the strain-displacement change curves of the main beams were obtained by finite element analysis under the conditions of pouring concrete in class 8 wind and crossing the hole in class 6 wind.[Conclusions] Through the study of the results of stress， displacement and buckling analysis under the above working conditions， it is verified that the strength， stiffness and stability of the groove maker meets the requirements for use under the casting conditions. Meanwhile， by analyzing the results of stress and displacement of main beam at different distances over the hole， it is concluded that there is room for optimization of the main beam of the slot-making machine， which provides a reference for further research.

Keywords： trough making machine; finite element simulation and analysis; APDL; main beam

0 引言

造槽机在渡槽建设领域具有重要的应用价值，其是通过参考桥梁移动模架造桥机的经验而研制的一种渡槽专用大型设备［1］。该设备主要用于在河流、湖泊等水域上建造渡槽，对比传统的施工方法，其能适应多种复杂地形和天气状况，从而快速、高效地完成渡槽的施工任务。此外，造槽机还具有自动前移功能，可以根据施工需要调整位置。并且设备配备了自带模板，可以保证渡槽的施工质量，确保渡槽的稳定性和耐久性。这些优良特点使得造槽机在水利渡槽施工中得到了广泛的应用。

1 造槽机结构组成及施工流程

1.1 造槽机结构组成

本研究设计的造槽机为上行式两跨结构U型造槽机，可一次浇筑最大重量为1 500 t、跨度42 m的大型渡槽。造槽机主要由主梁、导梁、挑梁、吊挂外肋、1号固定支腿、2、3、4号活动支腿、外模系统、液压内模系统、端模系统、电气系统等部分组成。其结构如图1所示。

1.2 造槽机施工流程

①整机设备开始位于两墩顶作业位置，浇筑模式下2、3支腿与墩顶固定支撑。

②完成混凝土养成等流程后，2、3支腿下落脱模，外模系统旋转开启准备过孔。

③启动2、3支腿纵移油缸整机前移16 m，此时1号腿到前方墩顶支撑。

④4号腿开始支撑，同时松开3号腿升空并前移一跨至前方墩顶下落重新支撑。

⑤放松2号支腿并前移一跨至前方墩顶支撑，1号腿松开升空。

⑥启动2、3、4支腿纵移油缸使整机前移7.5 m，脱空4号腿。

⑦启动2、3支腿纵移油缸，整机前移18.5 m，4号腿吊挂前移7.5 m。

⑧2、3支腿调整重载支撑模式，至此一个工作循环结束。

2 造槽机有限元分析

2.1 有限元模型建立

造槽机主梁为箱形断面，导梁为桁架结构，纵横完全对称。主梁、挑梁均采用自定义截面，导梁采用变截面。使用beam188梁单元来模拟主梁、导梁、挑梁和外肋结构。外肋与主梁间采用link8杆单元模拟，各主梁间采用高强螺栓连接；混凝土梁使用soild95实体单元模拟。单独建立各个部件有限元模型，利用CDWRITE命令将各模型保存为CDB文件格式。在装配时将主梁等部件依次调入，快速建立造槽机整体模型。有限元模型如图2所示。

2.2 载荷施加及约束

分析造槽机浇筑施工时所受载荷，包括各部件自重载荷、外肋上1 500 t的混凝土梁和8级风载荷。各部件自重载荷利用ACEL，9.8，0 的命令进行施加。混凝土梁采用单独建模方式，并将内膜系统及混凝土梁的重量以载荷的方式，施加到支撑点上。造槽机浇筑过程可抗8级风载，移位过程可抗6级风载。对于风载荷以均布载荷的形式施加在主梁、支腿等受风面上。

造槽机的约束条件为在实际施工状态下，造槽机2、3支腿支撑于墩顶，仿真时将支腿与墩顶接触位置添加约束。对于主梁、导梁等各部件之间的连接，单节点间采用节点耦合方式；单节点与多个节点间采用MPC连接方式［2］。造槽机整体载荷施加及约束如图3所示。

3 造槽机有限元分析结果

3.1 造槽机8级风满载工况强度分析

造槽机在浇筑施工时可抗风力为8级，且考虑到同时浇筑1 500 t混凝土梁为造槽机最危险工况之一。此时，2、3支腿支撑其整机等效应力及Y向位移云图如图4和图5所示。

采用许用应力法对整机进行强度校核［3-5］见式（1）。

式中：[σs]为材料的屈服极限；[n]为材料的安全系数；[σ]为材料许用应力。

由图4可知，此时应力最大值为210.785 MPa，发生在外肋底部支撑连接处。此处材质为Q355B，许用应力[σ]为236.7 MPa，因此浇筑工况下整机强度满足使用要求。

3.2 造槽机屈曲分析

造槽机整体绝大部分采用钢结构组成，考虑到钢结构容易失稳，带来的危害性较大。因此，对造槽机整体结构完成强度分析后，可利用ANSYS软件屈曲分析模块对造槽机进行特征值屈曲分析，前3阶模态对应的结果如图6至图8所示。

由图6至图8可知，造槽机整体一阶屈曲分析特征值为3.819 66，其值大于2，因此，造槽机满足稳定性要求。

3.3" 造槽机过孔时有限元分析

主梁作为造槽机的主要承重部件之一，对检验造槽机的安全极为重要。因此，过孔时选取主梁部件来分析其应力及变形情况。以过孔距离5 m为一工况得出的结果如图9和图10所示。

同一过孔位置出现不同点位是因为此时有换腿过程。如16 m时上方点位为2、3支腿支撑时主梁应力值，下方则是2、3、4支腿支撑时主梁应力值。

由图9可知，过孔时主梁应力大致分布在25～60 MPa之间，远小于许用值236.7 MPa。

对造槽机主梁刚度进行校核时，其主梁挠跨比应满足的条件见式（2）。

[YL≤L/1000] （2）

式中：[L]为跨度；[YL]为Y向变形有限元计算结果。

由图10可知，主梁Y向变形最大值的绝对值为30 mm，发生在2、3支腿支撑过孔23.5 m时；主梁变形小于许用刚度45 mm。综上所述，在过孔时主梁强度刚度均满足许用条件，且仍留有较大安全余地。

4 结论

本研究采用ANSYS有限元软件，对1 500 t U型造槽机在危险工况下进行了有限元分析，得出如下结论：①在8级风浇筑施工条件下，造槽机整机稳定性及结构强度满足使用要求；②造槽机在0～43 m移位过孔时，主梁结构满足强度、刚度使用要求；③通过分析主梁应力、位移变形结果可知，主梁存在优化空间，为进一步研究主梁优化提供了参考。

参考文献：

［1］吴建磊，黄海.薄壁U型渡槽造槽机的优化设计［J］.价值工程，2020，39（21）：154-155.

［2］韩林山，李金兴，韩永华.基于ANSYS的1 600 t造桥机金属结构有限元设计技术研究［J］.河南科技，2017，（1）：32-34.

［3］吕彭民，杨龙飞，王斌华.变幅宽移动模架结构的有限元分析与试验研究［J］.郑州大学学报（工学版），2015，36（2）：43-46.

［4］全国起重机械标准化技术委员会.起重机设计规范： GB/T 3811—2008 ［S/OL］. （2008-04-30）［2024-04-28］.https：//std.samr.gov.cn/gb/search/gbDetailed？id=71F772D76EE6D3A7E05397BE0A0AB82A

［5］ 史妍妮，吕彭民，梁佳.MSS50双幅整体浇筑式移动模架力学性能仿真分析［J］.筑路机械与施工机械化，2016，33（11）：98-102.

收稿日期：2024-04-28

作者简介：韩林山（1964—），男，博士，教授，研究方向：机械设计及理论；吴琛琛（1997—），男，硕士，研究方向：机械工程；张续（2001—），男，硕士生，研究方向：机械工程。