基于ANSYS的DF40/200型架桥机金属结构有限元分析

摘 要：【目的】为了保证施工安全，架桥机作为大型起重设备在投入使用前需要对其进行强度和刚度校核。【方法】以DF40/200型架桥机为研究对象，介绍了架桥机的结构组成和作业流程。通过APDL参数化建模方法在ANSYS软件中建立架桥机最危险架设和过孔工况的有限元模型，并对模型进行有限元计算。【结果】通过有限元分析得到，在7级风架设和6级风过孔工况下，整机的应力和位移结果。通过对结果进行分析，验证了架桥机在最危险架设和过孔工况下，其金属结构的强度和刚度均满足使用要求。【结论】主梁自重较大且是架桥机的主要承重部件，通过有限元计算获得了架桥机主梁金属结构的应力与位移云图，确定其结构设计满足要求，同时得出架桥机主梁存在优化空间，为之后的架桥机主梁优化提供了可靠的依据。

关键词：架桥机；金属结构；有限元分析

中图分类号：U445.36 " "文献标志码：A " " 文章编号：1003-5168（2024）12-0046-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.12.009

Metal Structure Finite Element Design Technology of DF40/200 Bridge Erection Machine Based on ANSYS

HAN Linshan ZHANG Xu WU Chenchen

（School of Mechanical Engineering， North China University of Water Resources and Electric Power， "Zhengzhou 450000， China）

Abstract： [Purposes] In order to ensure construction safety，as a large-scale lifting equipment， the bridge crane needs to be put into use before the strength and stiffness calibration. [Methods] This paper takes DF40/200 type bridge erection machine as the research object， and introduces the structural composition and operation process of bridge erection machine. The finite element model of the most dangerous erection and over-hole condition of the bridge erection machine is established in ANSYS software through the parametric modeling method of APDL， and finally the finite element calculation is carried out on the model. [Findings] The results of stress and displacement of the whole machine under the erection in class 7 wind and over-hole condition in class 6 wind are obtained by finite element analysis. By analyzing the results， it is verified that the bridge erector meets the usage requirements under the most dangerous erection and over-hole working conditions， as well as the strength and stiffness of its metal structure. [Conclusions] The main girder has a large self-weight and is the main load-bearing part of the bridge.Through the finite element calculation， the stress and displacement cloud diagram of the main girder metal structure of the bridge is obtained and it is determined that its structural design meets the requirements. And at the same time， it is concluded that the main girder of the bridge exists the optimization space for the subsequent optimization of the main girder of the bridge， which provides a reliable basis for the optimization of the main girder of the bridge.

Keywords： bridge erection machine; metal structure; finite element analysis

0 引言

架桥机是一种大型起重设备，其主要功能是将预制好的桥梁部件放到相应的位置上［1］。现在有不同结构形式的架桥机广泛应用于桥梁施工工程中，在城市桥梁架设过程中，需要对相应的路段进行封闭管理，因此架桥机的作业效率会影响当地的交通，在一定程度上也会对经济产生影响。因此，为了提高架桥机的施工效率，尽量减小对城市交通的影响［2］，本研究设计了DF40/200型一体化架桥机。为确保架桥机能够正常工作，需要对其金属结构进行分析。主梁是架桥机的主要承重结构，能否满足架桥机架设与过孔时的强度和刚度要求，是衡量架桥机性能的重要指标。此外，主梁的重量在架桥机总重之中占比较大，如果对其结构进行优化，不但可以减少主梁的重量，还可以降低架桥机的材料消耗量。这样既能减少浪费，又能为企业降低生产费用。

1 DF40/200型架桥机结构组成及作业流程

1.1 DF40/200型架桥机结构组成

DF40/200型架桥机主要由双桁架梁及联系梁组成的主梁、五条支腿、前天车、后天车、附属结构、液压系统、电气系统等组成，如图1所示，其中1是主梁、2～6分别是1～5号支腿、7是后天车、8是前天车、9是液压系统、10是电气系统。

1.2 DF40/200型架桥机的作业流程

①一体机架梁状态时，4条支腿共同支撑主梁。②运梁车运送盖梁到一体机主梁后方。③前天车提起盖梁。④前天车提盖梁纵移到架设盖梁位置并将盖梁纵、横向对位落放、安装。⑤对盖梁湿接缝进行灌浆、等强。⑥前、后天车返回主梁后方取T梁。⑦架设后跨T梁，T梁架设完成后，墩柱、盖梁已经完成了等强。⑧一跨架设完成后开始过孔，通过2、3支腿托辊轮驱动主梁前进到位。⑨后天车起吊盖梁安装支架到前方墩柱安装，过孔完成，开始下一个工作循环。

2 建立DF40/200型架桥机模型

由于架桥机的作业工况比较多，需要频繁地对模型进行修改，为了节省修改模型的时间，采用参数化语言（APDL）的方式对架桥机的金属结构进行建模和分析［3］。在建立模型的过程中，不必把架桥机上每个零件都进行建模，可以对架桥机实际结构进行适当简化。通过相关设计理论对架桥机结构特点进行分析研究，可以把那些不太重要的点或者不是主要受力结构的构件做简化或等效处理［4］。根据设计要求可知，架桥机的主梁主要由杆件组成。架桥机主梁上、下弦杆的材料为Q460，架桥机主梁竖、斜撑和平连杆及支腿结构的材料为Q355。因此，在建立架桥机主梁截面时采用平面单元plane82，在建立主梁和支腿时采用梁单元beam188。首先建立架桥机主梁各截面模型，然后通过添加截面方式建立架桥机主梁模型，接着单独建立每个支腿的模型，最后通过节点耦合方式建立架桥机的整体模型。利用ANSYS软件建立的架桥机有限元模型如图2所示。

3 载荷施加

架桥机工作时受到的载荷主要有各组成部件的自重、天车与起吊物的自重以及施工环境中的风载荷。对于各组成部件的自重，可以通过命令ACEL，，9.8，0的方式进行施加。对于天车与起吊物的自重，可以通过集中力的方式施加在主梁上。对于架桥机所受到的风载荷，通过式（1）进行计算。

[Pw=CpA] （1）

式中：[Pw]为最大风载荷，N；[C]为风力系数；[p]为计算风压，N/m2；[A]为迎风面积，m2。

架桥机在架设过程中最高承受7级风压，在过孔过程中最高承受6级风压，在非工作状态时最高承受11级风压。当风向垂直于施工方向，架桥机会受到最大风荷载，承受风载荷的部件主要包括主梁及五个支腿。风力系数取1.7，6级、7级、11级风的计算风压分别为250 N/m2、350 N/m2、1 000 N/m2。7级风及6级风各部分机构所受风载荷以均布载荷的形式施加在受风面上。架桥机载荷施加如图3所示。

4 有限元计算分析

架桥机的作业过程可以分为两个阶段，第一个阶段是架设过程，第二个阶段是过孔过程。下面分别选取两个对影响架桥机结构较大的工况进行计算分析。采用许用应力法式（2）对整机进行强度校核［5］。

[σ≤σ=σsn] "（2）

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

采用式（3）对整机进行刚度校核。

[YL≤L500] "（3）

式中：[L]为跨度；[YL]为架桥机金属结构的Y向变形结果。

4.1 工况一

架桥机受横向7级风影响，前天车提盖梁会移动至架设跨的跨中，此时由2、3号支腿支撑整机。计算结果如图4和图5所示。由此可知，架桥机整体的最大等效应力为188.65 MPa，发生在2号支腿托辊轮箱中部，其材质为Q355，许用应力为236.7 MPa，因此架桥机的整体强度满足要求。架桥机整体的最大Y向变形为-81.9 mm，出现在主梁架设跨跨中。主梁允许最大挠度为84 mm，因此架桥机整体刚度满足要求。

4.2 工况二

架桥机受横向6级风过孔到40 m临界状态，此时由2、3、4号支腿支撑。计算结果如图6和图7所示。由此可知，架桥机整体的最大等效应力为231.28 MPa，发生在下弦杆上2号腿支撑处，其材质为Q460，许用应力为306.7 MPa，因此架桥机的整体强度满足要求。

5 结论

本研究采用ANSYS有限元软件，对DF40/200型架桥机在危险工况下进行了有限元分析，得出以下结论。

①架桥机在7级风条件下进行架设工作，其结构的强度和刚度均满足使用要求。

②架桥机在6级风条件下进行过孔，其结构的强度和刚度均满足使用要求。

③通过对架桥机主梁的应力和变形结果进行分析表明，主梁的金属结构存在优化空间，为之后的架桥机主梁优化提供了依据。

参考文献：

［1］孙振军，侯杰，崔国华，等.JQS35-220t步履式双导梁架桥机主梁静态特性与模态分析［J］.机械设计，2021，38（4）：95-101.

［2］彭华.500 t轮轨式提梁机设计及有限元分析［J］.机电工程技术，2021，50（5）：195-197，273.

［3］赵长勇，张系斌，翟晓鹏.基于ANSYS参数化语言APDL的结构优化设计［J］.山西建筑，2008（3）：362-363.

［4］韩林山，牛帅，靳康.基于ANSYS的DP60/30B型节段拼装架桥机金属结构有限元分析［J］.河南科技，2017（23）：23-25.

［5］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］.https：//std.samr.gov.cn/gb/search/gbDetailed？id=71F772D76EE6D3A7E05397BE0A0AB82A.