淺議應用有限元理論設置攤鋪機熨平板的預拱度

王文龍，張杰勝 （中鐵四局集團第一工程有限公司，安徽 合肥 230041）

0 引 言

瀝青路面攤鋪質量的好壞與攤鋪機熨平板平直性存在直接關系。熨平板在攤鋪過程中要接觸150℃的瀝青混合料必然受熱膨脹使其發生變形，而攤鋪單幅的無拱路面要求熨平板必須是平直的，因此在攤鋪前應對熨平板進行進行熱變形分析，通過設置合理的預拱度使其在攤鋪受熱變形時達到平直的要求。

1 熨平板熱分析基本理論

攤鋪機熨平板的熱變形的計算與求解，實際上是一個熱彈性力學問題。分析熨平板的熱變形，需要根據熨平板的工作狀況、施工方法以及材料的傳熱學特性，按照熱彈性力學原理進行計算。為了確定熨平板的熱變形，需進行兩方面的計算：一是按照熱傳導理論，根據熨平板的熱學性質、內部熱源、初始條件和邊界條件，計算彈性體內各點在各瞬時的溫度，而前后兩個溫度場之差就是彈性體的變溫；二是按照“熱彈性力學”，根據彈性體的變溫來求出熨平板各點的溫度應變。

一般而言，熱分析可分為穩態熱分析和瞬態熱分析兩種。其中，溫度場不隨時間而發生變化的傳熱過程稱為穩態傳熱，反之則為瞬態傳熱?？紤]到攤鋪機熨平板工作時，首先要對其進行充分的預熱，因此，可以認為熨平板的分析類型為穩態熱分析。根據能量守恒原理，穩態熱分析的熱平衡方程可用矩陣形式：

式中：[K]——傳導矩陣,包含導熱系數,對流系數及輻射率和形狀系數

{T}——節點的溫度向量

{Q}——節點熱流率向量,包含熱生成。在穩態熱分析時，任一節點的溫度都不隨時間變化

ANSYS在熱分析的過程中，如果材料的熱性能、邊界條件隨溫度變化，或是含有非線性單元和考慮熱輻射，則該分析為非線性分析3。在此次分析中選用了非線性單元solid98，因此分析類型屬于非線性穩態輻射，則該分析為非線性分析3。在此次分析中選用了非線性單元solid98，因此分析類型屬于非線性穩態熱分析。其熱平衡方程為：

式中：[c（T）]——比熱容矩陣，考慮系統內能的增加

{T}——溫度對時間的導數

當熨平板結構的溫度場求得后,就可以根據彈性體內的已知變溫來決定體內的溫度應變。其計算公式為：

式中：a——彈性體的線膨脹系數

T——變溫,即溫度的改變量

2 有限元模擬分析

2.1 ANSYS 簡介

ANSYS作為有限元分析軟件在熱分析問題方面具有強大的功能，而且界面友好，便于應用。ANSYS熱分析基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元法計算物體內部各節點的溫度，并導出其他熱物理參數。

ANSYS進行熱分析的基本原理是將所處理的對象首先劃分成有限個單元(每個單元包含若干個節點)，然后根據能量守恒原理求解一定邊界條件和初始條件下每一節點處的熱平衡方程，由此計算出各節點溫度值，繼而進一步求解出其他相關量。

2.2 基于ANSYS 的熱分析在熨平板設計中的應用

2.2.1 幾何模型的建立

在對結構進行熱分析時，為了提高有限元計算的精度，立體模型與實際零件結構的形狀、尺寸應一致，但立體模型過于復雜，必然增加有限元單元網格劃分的難度和計算工作量。因此對熨平板的形狀作了必要的簡化，例如，直徑小于50mm的孔在立體模型中一律省略，對熨平板某些部位的特殊結構，如尖角、圓角等在建模時可以忽略。對于用螺栓固定的零部件結構，假設螺栓已充分擰緊，把它們結合成一個實體零件。本文采用三維設計主流軟件Pro／E來建立熨平板實體模型，將建立好的模型通過Pro與ANSYS的專用接口導入ANSYS。

2.2.2 在ANSYS中進行前處理

首先需要定義材料屬性，包括彈性模量、泊松比、比熱容、導熱系數、線膨脹系數和密度。熨平板共有兩組不同材料屬性，一是底板材料通常為中碳鋼，二是箱體材料低碳鋼，如表1所示。

溫度與位移分布統計表 表2

攤鋪機熨平板材料屬性 表1

本文采用ANSYS中的直接耦合法進行熨平板熱分析，因此采用耦合單元solid98進行分網。鑒于熨平板結構的復雜性，為減少網格劃分的困難，先對所有實體零件進行粘結操作，再使用智能網格劃分技術分網。

2.2.3 施加載荷，求解計算

考慮到模型左側面為對稱平面，因此在此接觸面上施加對稱邊界條件，根據熨平板在工作狀態下的實際安裝方式，模型與調拱裝置和大臂連接處均采用固定約束。模型的底面在工作時與瀝青混合料相接觸，因此在ANSYS中直接對其施加熱載荷，溫度為130℃(此值為瀝青溫度的平均值)。熨平板工作時與空氣發生自然對流，屬于熱分析中的第三類邊界條件，對流邊界條件可以作為面荷載施加于實體的表面來計算固體和流體間的熱交換。對流系數按照經驗取6J，空氣溫度取20℃，忽略熱輻射，然后進入求解器求解計算。

2.2.4 進行通用后處理(POST1)并顯示分析結果

求解完成后，在通用后處理器(POsr1)中可以觀察溫度分布云圖、位移分布云圖與應力分布云圖。溫度與位移分布如圖1和圖2所示。

3 結 論

①由圖1可見，溫度逐漸升高，表明熨平板底板處溫度較高(達到130℃)，沿底板向上溫度迅速下降，噴火口向上溫度幾乎接近環境溫度。因此，安裝在噴火口附近的隔熱氈的厚度不必過大，以免浪費。

②由圖2可見，膨脹量逐漸加大，表明底板處與熱瀝青相接觸，膨脹量較大，上板處溫度接近環境溫度，膨脹量很小，因此熨平板下端明顯向上翹曲，顯然，熨平板熱變形后的橫向形狀為上底小、下底大的梯形，在底板溫度是130℃時，最大變形量是1.336mm，如表2所示。

在施工中采取預留變形量的方法，以此來補償熨平板熱變形對施工質量的影響。

4 結 語

本文提出的方法在東海博世試車場進行運用，為檢測運用效果，現場檢測采取預留變形量熨平板在施工過程中對瀝青面層的影響，檢測方法是在熨平板加熱前，檢測熨平板的平整度，在攤鋪機勻速行駛5m后檢測橫斷面平整度，檢測結果如表3所示。

從表中數據顯示，檢測斷面的寬度是6m，其中平整度最差的是斷面1#，其最大值與最小值差值是1.62mm，精度完全滿足國內最高攤鋪精度2mm/4m的平整度精度要求，取得的良好的效果。

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