□ 馬洪輝 □ 馮益聰 □ 董宇杰 □ 吳小濤 □ 顧 勇

杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院 杭州 310036

1 設(shè)計(jì)背景

在人類文明的發(fā)展史中,橋梁的建設(shè)占據(jù)著十分重要的位置,是人類文明的產(chǎn)物。中國(guó)古代橋梁擁有輝煌成就,在世界橋梁歷史上絢麗多姿,體現(xiàn)了人類社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展[1-6]。智能物流系統(tǒng)指在智能交通系統(tǒng)基礎(chǔ)上,以電子商務(wù)方式運(yùn)作的現(xiàn)代物流服務(wù)體系。智能物流搬運(yùn)系統(tǒng)是借助于搬運(yùn)的智能物流體系。

全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽是全國(guó)性大學(xué)生科技創(chuàng)新實(shí)踐競(jìng)賽活動(dòng),競(jìng)賽過程包括理論設(shè)計(jì)、實(shí)際制作、整車調(diào)試、現(xiàn)場(chǎng)比賽等環(huán)節(jié),要求學(xué)生組成團(tuán)隊(duì),協(xié)同工作,初步體會(huì)工程性研究開發(fā)項(xiàng)目從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)的全過程。筆者以第七屆全國(guó)大學(xué)工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽智能物流-橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)組別的命題為背景,設(shè)計(jì)用于智能物流搬運(yùn)的橋梁結(jié)構(gòu)。橋梁上承載小車,小車最大承載質(zhì)量為30 kg。根據(jù)給定橋梁區(qū)間尺寸長(zhǎng)800 mm、寬180 mm、高250 mm,設(shè)計(jì)單跨橋梁結(jié)構(gòu),要求橋梁材料采用本色側(cè)壓雙層復(fù)壓竹皮,單張竹皮厚度不大于 0.5 mm,力學(xué)性能參考值中,彈性模量為10 GPa,抗拉強(qiáng)度為60 MPa。

2 橋梁結(jié)構(gòu)建模

競(jìng)賽對(duì)橋梁的質(zhì)量有要求,以橋梁最小的自身質(zhì)量來承擔(dān)最大的載荷。首先考慮橋架桿件結(jié)構(gòu),由于三角形結(jié)構(gòu)具有較好的穩(wěn)定性,因此橋架桿件采用三角形結(jié)構(gòu)。所有桿件盡量通過較短的長(zhǎng)度來?yè)Q取中心位置的降低。桿件長(zhǎng)度減小,降低桿件的長(zhǎng)徑比,使桿件臨界受力強(qiáng)度增大,桿件更加穩(wěn)定?；谝陨弦蛩?利用竹皮制作桿件來搭建橋梁,總質(zhì)量為0.2 kg。最終設(shè)計(jì)的單跨橋梁結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

▲圖1 單跨橋梁結(jié)構(gòu)模型

3 仿真分析

仿真分析采用ANSYS Workbench有限元計(jì)算軟件。按照競(jìng)賽設(shè)計(jì)要求,橋梁上小車的行駛速度較慢,因此不考慮橋梁所受載荷的動(dòng)態(tài)效應(yīng),整體分析屬于靜力學(xué)范疇[7]。

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)模型實(shí)物形狀,利用SolidWorks軟件建立幾何模型。建模完成后,將模型保存為.stp格式文件,為導(dǎo)入ANSYS Workbench 軟件做好準(zhǔn)備。根據(jù)橋梁的實(shí)際受力工況,橋梁的四角屬于與地面固定端,橋面中心受載,以檢驗(yàn)橋梁應(yīng)力與變形位移情況為主。

分析時(shí)采用靜力學(xué)模塊,網(wǎng)格全局單元大小為5 mm,采用六面體網(wǎng)格,單元類型采用二次減縮積分單元。橋梁在受壓工況中,采用二次單元能夠有效避免線性單元所導(dǎo)致的剛度鎖緊問題,提高計(jì)算結(jié)果的精度。對(duì)橋梁進(jìn)行網(wǎng)格劃分,一共生成12 930個(gè)網(wǎng)格、51 122個(gè)節(jié)點(diǎn)。橋梁結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。針對(duì)橋梁的四個(gè)底邊,采用約束。考慮到橋梁的中間位置為危險(xiǎn)位置,選擇在橋面的中間位置施加300 N載荷,來綜合檢驗(yàn)橋梁的安全性。

▲圖2 橋梁結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格劃分

有限元前處理完成后,根據(jù)計(jì)算機(jī)性能設(shè)置相應(yīng)的線程數(shù)和內(nèi)存,提交計(jì)算。計(jì)算完成后,進(jìn)入后處理模塊,對(duì)橋梁的應(yīng)力及變形進(jìn)行計(jì)算。

橋梁上行駛小車,一般認(rèn)為小車行駛至橋梁中間時(shí),橋梁截面最具有危險(xiǎn)性,是危險(xiǎn)截面[8]。對(duì)此,在受力分析時(shí),在橋梁中間位置施加集中載荷,分析橋梁的受力。橋梁結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力云圖如圖3所示。應(yīng)力分析結(jié)果表明,橋梁中間部分所受的應(yīng)力最大,達(dá)到40.699 MPa。

▲圖3 橋梁結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖

橋梁結(jié)構(gòu)的變形云圖如圖4所示。橋梁為對(duì)稱結(jié)構(gòu),橋梁的中部位置變形最大,達(dá)到4.242×10-2mm。通過計(jì)算,這一數(shù)值相對(duì)于橋梁的整體高度,相對(duì)變形量為0.016%,對(duì)橋梁撓度的影響不大,可以認(rèn)為橋梁是安全的。

橋梁結(jié)構(gòu)在受載過程中的法向應(yīng)力云圖如圖5所示。橋梁的中部位置所受法向應(yīng)力最大,達(dá)到11.88 MPa,低于竹皮材料的抗拉強(qiáng)度,所以從法向應(yīng)力方面考慮,橋梁也是安全的。

▲圖4 橋梁結(jié)構(gòu)變形云圖

▲圖5 橋梁結(jié)構(gòu)法向應(yīng)力云圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了模擬競(jìng)賽環(huán)境,筆者制作了橋梁承載試驗(yàn)裝置,如圖6所示。試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)在橋梁中部的承載砝碼加載到30 kg,并保持靜載荷時(shí)間10 s時(shí),橋梁未出現(xiàn)大的撓度變化,卸載后各桿件完好無損。這一結(jié)果與軟件模擬結(jié)果類似。

▲圖6 橋梁承載試驗(yàn)裝置

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者以第七屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽智能物流-橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)組別的命題為背景,設(shè)計(jì)用于智能物流搬運(yùn)的橋梁結(jié)構(gòu)。通過軟件模擬,結(jié)合橋梁承載試驗(yàn)裝置試驗(yàn),確認(rèn)當(dāng)橋梁上承載質(zhì)量為30 kg時(shí),橋梁不出現(xiàn)過大的撓度,卸載后橋梁各桿件完好無損。所設(shè)計(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)經(jīng)過競(jìng)賽實(shí)踐驗(yàn)證,以較輕質(zhì)量承載搬運(yùn)較大載荷而取得較好的成績(jī),是較優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。