ANSYS在橋梁檢修車結構設計中的應用

王春芳 孔 旭

(武橋重工集團股份有限公司，湖北 武漢430065)

0 前言

橋梁檢修車是橋梁檢查維護的一種專用設備，能夠快速、便捷、安全地將橋梁檢修維護人員送達指定的作業位置。其主體結構采用桁架式結構，而隨橋梁結構的多樣化及對檢修車多功能的要求，檢修車結構也逐漸變得復雜。

復雜的結構對結構強度計算帶了帶來了不便，ANSYS有限元分析方法在結構的靜力學分析中應用十分廣泛，對于用細長桿件型材制成的桁架結構，通常采用梁單元模擬分析；對于局部加強的筋板通常采用殼單元進行模擬。采用ANSYS有限元的分析方法能夠快速地計算結構各部分受力情況，及時發現設計中應力集中的位置并迅速進行修改，從而提高設計效率。

1 一種橋梁檢查車

1.1 檢查車主體結構

如圖1所示，根據橋梁結構及對檢修功能的要求設計了圖示結構橋梁檢修車。其主要由上桁架，下桁架，伸縮桁架及走行系統等組成。走行系統布置在上桁架上；上下桁架通過回轉支撐連接；通過下桁架上布置的滾輪，伸縮桁架可在下桁架內做伸縮運動。橋梁為變截面預應力混凝土梁結構，沿橋梁縱向布置有軌道，檢修車走行系統在軌道上走行，將橋梁檢修維護作業人員送到橋梁各個待檢修維護的位置。檢修車在連續變截面梁跨中運行時，下部伸縮桁架根據梁截面變化在一定范圍內伸縮運動；檢修車通過橋墩時，中間伸縮桁架可斷開，兩邊小車可獨立走行，使小車能夠順利通過橋墩；兩側小車各自通過橋墩后，兩側小車又連為一體，協同作業。

小車主體結構采用標準型材制成的桁架結構。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。主體結構材料采用Q235B。

圖1 一種橋梁檢修車

1.2 檢修車工作載荷說明

檢修車電氣系統重量約為2噸，對稱布置在左右兩邊上桁架上，另外根據檢查車工作時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梁單元是三維結構的一維理想化單元。ANSYS中具有多種梁單元，其中BEAM188單元是一個二節點的三維線性梁，每個節點具有6或7個自由度，即分別是x軸、y軸、z軸方向位移及繞x軸、繞y軸、繞z軸旋轉的自由度，另外當KEYOPT(1)=1時增加一個橫截面的翹曲自由度。

殼單元用來模擬薄壁類結構，其中SHELL63單元既具有彎曲能力又具有膜力，即可以承受平面內載荷及承受法向載荷。SHELL63單元的每個節點有6個自由度，即分別是x軸、y軸、z軸方向位移及繞x軸、繞y軸、繞z軸旋轉的自由度。

2.2 檢修車主體結構有限元分析

檢修車主體結構采用桁架式結構，桁架結構各桿件主要受拉力或受壓力作用，可采用BEAM188單元進行模擬；局部加強筋板則可以采用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點，可將作用于伸縮桁架上力傳遞給下桁架。根據檢修車結構采用節點方式建立檢修車主體結構的ANSYS計算模型，選取伸縮桁架伸縮至最長位置（即檢修車運行至梁截面最寬位置）作為最不利工況進行強度計算。根據工作要求施加載荷，約束上桁架與走行系統連接的節點，計算獲得其應力云圖如圖2所示，圖3顯示了此工況下檢修車結構最大應力所在位置。由于結構所選材料為Q235B，則結構安全系數為：S=235/150.8=1.56。

圖3 檢修車局部結構應力云圖

圖2 檢修車整體結構應力云圖

因此，檢修車主體結構強度滿足要求，但從應力云圖可以看出，檢修車結構大多位置應力較小，僅在上下桁架連接部位應力較大。為此，對上下桁架之間，桁架結構發生較大變化處進行局部補強，增加筋板。

補強后，重新計算得應力云圖如圖4所示，最大應力從150.843MPa減小到了47.394MPa，主體結構受力明顯減小。圖5是上下桁架連接部位增加筋板后的應力云圖，從圖中可以看出此處局部應力明顯減小。因此，修改后的結構使原結構應力集中的情況得到改善，結構設計更為合理。

圖4 局部加強后整體結構應力云圖

圖5 局部加強后局部結構應力云圖

3 結束語

ANSYS有限元分析方法能夠快速并全面分析整個結構受力情況，并能夠查看局部受力情況，以便在設計過程中及時對局部受力較大位置進行加強。ANSYS分析方法能夠獲得各個局部受力情況，計算效率較高，對機械結構的優化設計有著十分重要的意義。

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