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【摘 要】介绍了一种桥梁检修车主体结构,用ANSYS有限元中的梁单元及壳单元建立了检修车主体结构模型,并进行了强度分析,对于局部应力较大的位置进行了局部加强,提高了结构整体强度,减小了应力集中,使整个结构更为合理.
【关 键 词 】桥梁检修车；梁单元；壳单元；强度分析
0 前言
桥梁检修车是桥梁检查维护的一种专用设备,能够快速、便捷、安全地将桥梁检修维护人员送达指定的作业位置.其主体结构采用桁架式结构,而随桥梁结构的多样化及对检修车多功能的要求,检修车结构也逐渐变得复杂.
复杂的结构对结构强度计算带了带来了不便,ANSYS有限元分析方法在结构的静力学分析中应用十分广泛,对于用细长杆件型材制成的桁架结构,通常采用梁单元模拟分析；对于局部加强的筋板通常采用壳单元进行模拟.采用ANSYS有限元的分析方法能够快速地计算结构各部分受力情况,及时发现设计中应力集中的位置并迅速进行修改,从而提高设计效率.
1.一种桥梁检查车
1.1 检查车主体结构
如图1所示,根据桥梁结构及对检修功能的要求设计了图示结构桥梁检修车.其主要由上桁架,下桁架,伸缩桁架及走行系统等组成.走行系统布置在上桁架上；上下桁架通过回转支撑连接；通过下桁架上布置的滚轮,伸缩桁架可在下桁架内做伸缩运动.桥梁为变截面预应力混凝土梁结构,沿桥梁纵向布置有轨道,检修车走行系统在轨道上走行,将桥梁检修维护作业人员送到桥梁各个待检修维护的位置.检修车在连续变截面梁跨中运行时,下部伸缩桁架根据梁截面变化在一定范围内伸缩运动；检修车通过桥墩时,中间伸缩桁架可断开,两边小车可独立走行,使小车能够顺利通过桥墩；两侧小车各自通过桥墩后,两侧小车又连为一体,协同作业.
1.2 检修车工作载荷说明
检修车电气系统重量约为2吨,对称布置在左右两边上桁架上,另外根据检查车工作时要求检修车伸缩桁架上必须能够承载180kg/m的线载荷.
2.ANSYS分析
2.1 梁单元及壳单元
ANSYS梁单元是三维结构的一维理想化单元.ANSYS中具有多种梁单元,其中BEAM188单元是一个二节点的三维线性梁,每个节点具有6或7个自由度,即分别是x轴、y轴、z轴方向位移及绕x轴、绕y轴、绕z轴旋转的自由度,另外当KEYOPT（1） 等于 1时增加一个横截面的翘曲自由度.
壳单元用来模拟薄壁类结构,其中SHELL63单元既具有弯曲能力又具有膜力,即可以承受平面内载荷及承受法向载荷.SHELL63单元的每个节点有6个自由度,即分别是x轴、y轴、z轴方向位移及绕x轴、绕y轴、绕z轴旋转的自由度.
2.2 检修车主体结构有限元分析
检修车主体结构采用桁架式结构,桁架结构各杆件主要受拉力或受压力作用,可采用BEAM188单元进行模拟；局部加强筋板则可以采用SHELL63模拟；由于伸缩桁架通过滚轮与下桁架连接,因此采用耦合的处理方法连接下桁架与伸缩桁架,耦合下桁架与伸缩桁架上各位置接近的节点,可将作用于伸缩桁架上力传递给下桁架.根据检修车结构采用节点方式建立检修车主体结构的ANSYS计算模型,选取伸缩桁架伸缩至最长位置（即检修车运行至梁截面最宽位置）作为最不利工况进行强度计算.根据工作要求施加载荷,约束上桁架与走行系统连接的节点,计算获得其应力云图如图2所示,图3显示了此工况下检修车结构最大应力所在位置.由于结构所选材料为Q235B,则结构安全系数为：S等于235/150.8等于1.56.
因此,检修车主体结构强度满足要求,但从应力云图可以看出,检修车结构大多位置应力较小,仅在上下桁架连接部位应力较大.为此,对上下桁架之间,桁架结构发生较大变化处进行局部补强,增加筋板.
补强后,重新计算得应力云图如图4所示,最大应力从150.843MPa减小到了47.394MPa,主体结构受力明显减小.图5是上下桁架连接部位增加筋板后的应力云图,从图中可以看出此处局部应力明显减小.因此,修改后的结构使原结构应力集中的情况得到改善,结构设计更为合理.
3.结束语
ANSYS有限元分析方法能够快速并全面分析整个结构受力情况,并能够查看局部受力情况,以便在设计过程中及时对局部受力较大位置进行加强.ANSYS分析方法能够获得各个局部受力情况,计算效率较高,对机械结构的优化设计有着十分重要的意义.
【参考文献】
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[责任编辑：谢庆云]