王春芳 孔 旭

(武橋重工集團(tuán)股份有限公司，湖北 武漢430065)

0 前言

橋梁檢修車是橋梁檢查維護(hù)的一種專用設(shè)備，能夠快速、便捷、安全地將橋梁檢修維護(hù)人員送達(dá)指定的作業(yè)位置。其主體結(jié)構(gòu)采用桁架式結(jié)構(gòu)，而隨橋梁結(jié)構(gòu)的多樣化及對檢修車多功能的要求，檢修車結(jié)構(gòu)也逐漸變得復(fù)雜。

復(fù)雜的結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算帶了帶來了不便，ANSYS有限元分析方法在結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析中應(yīng)用十分廣泛，對于用細(xì)長桿件型材制成的桁架結(jié)構(gòu)，通常采用梁單元模擬分析；對于局部加強(qiáng)的筋板通常采用殼單元進(jìn)行模擬。采用ANSYS有限元的分析方法能夠快速地計(jì)算結(jié)構(gòu)各部分受力情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中應(yīng)力集中的位置并迅速進(jìn)行修改，從而提高設(shè)計(jì)效率。

1 一種橋梁檢查車

1.1 檢查車主體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)及對檢修功能的要求設(shè)計(jì)了圖示結(jié)構(gòu)橋梁檢修車。其主要由上桁架，下桁架，伸縮桁架及走行系統(tǒng)等組成。走行系統(tǒng)布置在上桁架上；上下桁架通過回轉(zhuǎn)支撐連接；通過下桁架上布置的滾輪，伸縮桁架可在下桁架內(nèi)做伸縮運(yùn)動。橋梁為變截面預(yù)應(yīng)力混凝土梁結(jié)構(gòu)，沿橋梁縱向布置有軌道，檢修車走行系統(tǒng)在軌道上走行，將橋梁檢修維護(hù)作業(yè)人員送到橋梁各個(gè)待檢修維護(hù)的位置。檢修車在連續(xù)變截面梁跨中運(yùn)行時(shí)，下部伸縮桁架根據(jù)梁截面變化在一定范圍內(nèi)伸縮運(yùn)動；檢修車通過橋墩時(shí)，中間伸縮桁架可斷開，兩邊小車可獨(dú)立走行，使小車能夠順利通過橋墩；兩側(cè)小車各自通過橋墩后，兩側(cè)小車又連為一體，協(xié)同作業(yè)。

小車主體結(jié)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)型材制成的桁架結(jié)構(gòu)。上桁架主弦桿采用120×80×6矩形管，腹桿件采用70×70×5方形管；下桁架主弦桿采用70×70×5方形管，腹桿采用50×50×5方形管；伸縮桁架主弦桿采用50×50×5方形管，腹桿采用40×40×4方形管。主體結(jié)構(gòu)材料采用Q235B。

圖1 一種橋梁檢修車

1.2 檢修車工作載荷說明

檢修車電氣系統(tǒng)重量約為2噸，對稱布置在左右兩邊上桁架上，另外根據(jù)檢查車工作時(shí)要求檢修車伸縮桁架上必須能夠承載180kg/m的線載荷。

2ANSYS分析

2.1 梁單元及殼單元

ANSYS梁單元是三維結(jié)構(gòu)的一維理想化單元。ANSYS中具有多種梁單元，其中BEAM188單元是一個(gè)二節(jié)點(diǎn)的三維線性梁，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有6或7個(gè)自由度，即分別是x軸、y軸、z軸方向位移及繞x軸、繞y軸、繞z軸旋轉(zhuǎn)的自由度，另外當(dāng)KEYOPT(1)=1時(shí)增加一個(gè)橫截面的翹曲自由度。

殼單元用來模擬薄壁類結(jié)構(gòu)，其中SHELL63單元既具有彎曲能力又具有膜力，即可以承受平面內(nèi)載荷及承受法向載荷。SHELL63單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度，即分別是x軸、y軸、z軸方向位移及繞x軸、繞y軸、繞z軸旋轉(zhuǎn)的自由度。

2.2 檢修車主體結(jié)構(gòu)有限元分析

檢修車主體結(jié)構(gòu)采用桁架式結(jié)構(gòu)，桁架結(jié)構(gòu)各桿件主要受拉力或受壓力作用，可采用BEAM188單元進(jìn)行模擬；局部加強(qiáng)筋板則可以采用SHELL63模擬；由于伸縮桁架通過滾輪與下桁架連接，因此采用耦合的處理方法連接下桁架與伸縮桁架，耦合下桁架與伸縮桁架上各位置接近的節(jié)點(diǎn)，可將作用于伸縮桁架上力傳遞給下桁架。根據(jù)檢修車結(jié)構(gòu)采用節(jié)點(diǎn)方式建立檢修車主體結(jié)構(gòu)的ANSYS計(jì)算模型，選取伸縮桁架伸縮至最長位置（即檢修車運(yùn)行至梁截面最寬位置）作為最不利工況進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。根據(jù)工作要求施加載荷，約束上桁架與走行系統(tǒng)連接的節(jié)點(diǎn)，計(jì)算獲得其應(yīng)力云圖如圖2所示，圖3顯示了此工況下檢修車結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力所在位置。由于結(jié)構(gòu)所選材料為Q235B，則結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為：S=235/150.8=1.56。

圖3 檢修車局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖2 檢修車整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

因此，檢修車主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，但從應(yīng)力云圖可以看出，檢修車結(jié)構(gòu)大多位置應(yīng)力較小，僅在上下桁架連接部位應(yīng)力較大。為此，對上下桁架之間，桁架結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化處進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)，增加筋板。

補(bǔ)強(qiáng)后，重新計(jì)算得應(yīng)力云圖如圖4所示，最大應(yīng)力從150.843MPa減小到了47.394MPa，主體結(jié)構(gòu)受力明顯減小。圖5是上下桁架連接部位增加筋板后的應(yīng)力云圖，從圖中可以看出此處局部應(yīng)力明顯減小。因此，修改后的結(jié)構(gòu)使原結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的情況得到改善，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為合理。

圖4 局部加強(qiáng)后整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖5 局部加強(qiáng)后局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

3 結(jié)束語

ANSYS有限元分析方法能夠快速并全面分析整個(gè)結(jié)構(gòu)受力情況，并能夠查看局部受力情況，以便在設(shè)計(jì)過程中及時(shí)對局部受力較大位置進(jìn)行加強(qiáng)。ANSYS分析方法能夠獲得各個(gè)局部受力情況，計(jì)算效率較高，對機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)有著十分重要的意義。

［1］陳洪軍,等.ANSYS在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社,2007.

［2］張質(zhì)文,虞和謙,王金諾,等.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊[S].北京：中國鐵道出版社,1998.

［3］械設(shè)計(jì)手冊編委會.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[S].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004.