索夾鑄造與受力計算建模模擬技術在監理工作中的應用研究

王鵬

摘? 要：文章從監理工程師的角度出發，針對懸索橋索夾制造的重難點進行探討。使用機械模型專用軟件solidworks建模，模擬虎門二橋索夾SJ-2投入使用后的受力狀態，找出其受力關鍵點并以此作為索夾制造過程中質量控制的重點部位。將solidworks模型根據鑄造方案進行補充，通過軟件接口導入鑄造專用軟件Anycasting程序，模擬其鑄造過程，驗證整體鑄造方案的可行性。最終通過計算機模擬技術，制定相應的索夾制造過程中監理質量控制措施，為精細化的質量控制監理工作提供科學依據。

關鍵詞：索夾制造，索夾鑄造，受力計算，計算機建模，監理工程師

一、工程概況

廣東省虎門二橋大沙水道橋采用主跨跨徑1200米的雙塔單跨鋼箱梁懸索橋，索夾采用上下對合的結構形式，上、下兩半索夾用M45高強度螺桿相連夾緊，兩端配M45的螺母、內球面墊圈、外球面墊圈、防水螺母。在接縫處上半索夾的內側設有凹槽，下半索夾的內側設有凸出的嵌齒，上下半索夾的外側嵌填橡膠防水條防水。索夾螺桿做成縮腰形，以免在螺紋處斷裂。

由于主纜傾角不同，所需的夾緊力不同，索夾長度和螺桿數量均不相同，為節省模型，將相近長度的索夾并為一組。同一組索夾耳板銷孔位置略有變化，以適應索夾傾角的變化。全橋索夾共分為8種類型，其中有吊索索夾6種，無吊索索夾2種，其中邊跨緊纜索夾和錐形索夾各1種。

索夾鑄鋼件材料為ZG20Mn，應符合《大型低合金鋼鑄件》（JB/T6402-2006）標準要求。索夾緊固件均采用合金鋼制造，其技術指標應符合《合金結構鋼》（GB/T 3077-1999）標準要求。上、下半索夾之間的密封條采用乙丙橡膠，其扯斷強度≥15MPa，紹爾硬度A40±5，永久變形≤20%。

上述原材料均需進行進廠檢查驗收，驗收時首先核查材料的合格證書等有關原始資料，然后按照標準規定進行入廠檢驗復查，對材料的有關理化性能、規格型號、外觀質量等進行檢查，只有經要求檢查均合格的情況下方可投入使用。

本文將闡述有吊索索夾類型在計算機模擬運算技術中的應用。

二、計算機模型

2.1索夾模型（前視基準面）

通過計算機建模軟件Solid Works對有吊索索夾進行三維立體建模，依據設計圖紙尺寸參數要求確定索夾模型前視基準面尺寸參數。（見圖1）

2.2索夾模型（右視基準面）

索夾模型前視基準面尺寸參數確定完畢后，通過橫向拉伸功能對索夾模型右視基準面進行尺寸參數的確定。（見圖2）

注明：

在索夾下半（圖2）中，標記尺寸21.45°是用來確定索夾耳板銷孔位置的，因每套索夾在主纜上的分布位置不同，且每套索夾所承載的吊索力也不相同，因此每套索夾在該部位標定角度是不相同的。

2.3索夾模型（上視基準面）

索夾模型右視基準面尺寸參數確定完畢后，對索夾模型上視基準面進行尺寸參數的確定。

2.4索夾整體模型

索夾模型上視基準面尺寸參數確定完畢后，則該類索夾立體建模工作完成。（見圖3）

2.5索夾裝配體模型

將已建模完成的索夾上半、索夾下半及裝配完成的螺桿裝配體通過Solid Works裝配程序，設置面與面貼合的方式將其裝配組合。（見圖4）

三、模型受力分析

3.1確定受力分析索夾類型

通過計算機受力分析軟件Solid Works Simulation程序對已裝配完成的索夾添加吊索力（單位：KN），依據設計要求每套索夾在主纜上的分布位置不同，因此每套索夾的耳板銷孔位置也相應是不相同的，都是由索夾傾角確定，而索夾傾角、最不利吊索力、恒載作用下的吊索力這三組數據都是相互對應的。（見圖5）

注明：

本文將分析有吊索索夾：SJ2，索夾傾角a：21.452°、最不利吊索力：2162.8KN該組索夾的受力分析情況。

3.2設置索夾拉桿件參數

運用Solid Works Simulation程序，對實際受力過程起到上下半索夾夾緊作用的索夾拉桿進行規格尺寸、夾緊力等參數的設置。（見圖6）

注明：

索夾拉桿螺栓直徑45mm、螺母直徑70mm及軸載荷夾緊力705000 N，均為施工設計圖中設計說明及設計圖紙尺寸要求。

3.3設置索夾相觸面組

在Solid Works Simulation程序，選定索夾上半與索夾下半為相觸面組，并給定零部件相互間摩擦系數差數。

注明：

在設置索夾相觸面零部件參數時，所設置的零部件之間摩擦系數為0.05，該數值為系統默認參數，因索夾上半、下半相接觸部位為齒型結構，凹槽與凸臺間的配合方式為間隙配合，因受到結構件結構形式的約束，結構件在受到外力作用下，出現橫向滑移情況可忽略考慮。

3.4設置零部件相觸

在Solid Works Simulation程序中，還應對索夾裝配體與模擬主纜設置零部件相觸，并且還需設置索夾裝配體與主纜之間的摩擦系數參數。

注明：

在設置零部件相觸時，索夾裝配體與模擬主纜之間的摩擦系數，即為索夾與主纜間的抗滑移系數，當索夾受到最大吊索力（即為設計給出的最不利吊索力）時，索夾與主纜相對是不允許發生位移的，在計算機模擬受力過程中也必須保證兩部件相對靜止，故在此處摩擦系數設置為0.15，以確保索夾裝配體與模擬主纜呈現相對靜止狀態。

3.5設置固定幾何體

在索夾受力計算過程中，在Solid Works Simulation程序中，將模擬主纜設定為固定幾何體，主纜兩端面使用夾具功能將其固定約束。

3.6設置外部載荷

在Solid Works Simulation程序中，在索夾耳板銷孔位置上設置局部坐標系1、坐標系2并添加軸承載荷，軸承載荷力的方向與兩個坐標系Y軸方向一致。

注明：

在設置索夾耳板銷孔位置的外部載荷時，此處設計給出兩種外部荷載力即上圖5中所述：索夾類型：SJ2，最不利吊索力：2162.8KN，恒載作用下吊索力1851.1KN。因最不利吊索力>恒載作用下吊索力，所以只考慮索夾在受到最不利吊索力情況下的應力、應變、位移等狀態的受力分析云圖。

為實現計算機模擬與實際相吻合，在實際情況下索夾耳板銷孔部位還安裝有關節軸承部件，所以在計算機模擬設置參數時添加的荷載方式為軸承荷載。

3.7設置有限元網格模型

采用有限元計算程序Solid Works Simulation對索夾進行有限元受力分析，索夾有限元網格模型。（見圖7）

注明：

單元數目根據默認精度自動劃分，在設置索夾有限元網格模型時，還應添加索夾ZG20Mn的材料特性：密度 7850Kg/m3，彈性模量 205GPa，泊松比 0.30等參數。

3.8索夾模型受力分析計算

在Solid Works Simulation程序中將以上限定條件設置完畢后，通過計算機運算求得索夾模型在承載最不利吊索力的情況下所發生的應力、應變、位移情況。

索夾模型受力分析計算過程。（見圖8）

3.9索夾模型受力分析結果

通過運用Solid Works Simulation程序進行受力分析計算得出應力、應變、位移三份效果云圖模型分析報告。

（1）應力分析報告云圖（圖9）：

（2）應變分析報告云圖（圖10）：

3、位移分析報告云圖（圖11）：

注明：

1、在應力分析報告云圖中，應力是索夾受到外部施加的最不利吊索力情況下，索夾內部單位面積上內力的大小。

從圖中可以得出：

（1）、索夾上半應力主要集中在圓弧薄壁區中心部位及拉桿承壓臺與圓弧薄壁區相交處。

最大應力值為：1.713×108 N/m2

（2）、索夾下半應力主要集中在圓弧薄壁區靠近索夾端部耳板銷孔下方部位及索夾兩耳板銷孔部位。

最大應力值為：2.588×108 N/m2

2、在應變分析報告云圖中，應變是索夾受到外部施加的最不利吊索力情況下，索夾內部單位長度上位移的大小，即索夾內部單元體長度的變化及單元體夾角的變化。

從圖中可以得出：

（1）、索夾上半應變主要集中在圓弧薄壁區中心部位及拉桿承壓臺與圓弧薄壁區相交處。

（2）、索夾下半應變主要集中在圓弧薄壁區靠近索夾端部耳板銷孔下方部位及索夾兩耳板銷孔部位。

3、在位移分析報告云圖中，位移是索夾受到外部施加的最不利吊索力情況下，索夾內部單位體內某一質點沿某一方向移動的距離，即該質點始末位置之間的距離。

從圖中可以得出：

只有索夾下半兩耳板銷孔部位位移變化最大。

綜上所述應力分析報告云圖與應變分析報告云圖所確定的索夾受力重點部位是相同的，因相同材質下應力與應變在理論上是存在正比例關系的，即：應力=彈性模量×應變，而彈性模量的定義是材料發生小變形時應力與相應應變的比值，是表示物體變形的難易程度。（在運用Solid Works Simulation程序計算受力分析時，已經對索夾ZG20Mn的材料特性彈性模量205GPa進行了設置。）

通過對彈性模量的定義理解，進而驗證了索夾應力、應變分析報告云圖所確定的索夾受力重點部位是準確的。而位移所表述的單位體內某一質點沿某一方向移動的距離，即為應變所定義的單位體內的某一質點，通過這種相互關系去分析位移與應變的分析報告云圖，則再次證明了索夾下半兩耳板銷孔部位為重點受力位置。

即該套有吊索索夾類型SJ2，索夾傾角a：21.452°，在生產制造過程中，應重點進行質量控制的部位為：

（1）、索夾SJ2上半圓弧薄壁區中心部位。

（2）、索夾SJ2上半拉桿承壓臺與圓弧薄壁區相交部位。

（3）、索夾SJ2下半圓弧薄壁區靠近索夾端部耳板銷孔下方部位。

（4）、索夾SJ2下半兩耳板銷孔部位。

四、鑄造模擬計算

在索夾的生產制造過程中，索夾的鑄造質量是索夾制造質量優劣的根源。通過Solid Works Simulation程序對索夾的受力分析，已確定出索夾的重點受力部位，下階段本文將闡述運用鑄造模擬軟件AnyCasting程序，對索夾的鑄造澆鑄過程進行計算機模擬，通過計算澆鑄系統的幾何尺寸及分部位置、冷鐵的分部位置、冒口的位置確定及尺寸的設置、模具類型尺寸的設置等，最終實現質量合格的索夾鑄造毛坯件，為整個索夾制造質量奠定扎實的基礎。

4.1設置鑄造實體

在Solid Works程序中將計算機模型索夾SJ2通過文件格式轉換導入AnyCasting程序中（鑄造澆注系統模型、冷鐵模型、冒口模型在Solid Works程序中建立），并在AnyCasting程序中設置鑄造實體屬性。（圖12）

注明：

鑄造澆注系統模型、冷鐵模型、冒口模型尺寸及位置設定是根據鑄造手冊（鑄造工藝5）中所講述的澆注系統引入位置的確定、結構尺寸的設計、類型及特點分析，鑄鋼件澆注系統尺寸的確定，鑄鋼件冒口設計，冷鐵設計（外冷鐵設計、內冷鐵設計）中所要求制定的，在通過后續鑄造模擬軟件模擬分析，去驗證該設計對索夾SJ2是否可行，如不適合，也能夠通過鑄造模擬軟件分析程序去明確找到不合理位置，在重新進行優化調整。

4.2設置鑄造模具

在AnyCasting程序中，將鑄造砂型外觀尺寸進行設置。（圖13）

4.3設置網格劃分

在AnyCasting程序中，將索夾鑄造模型進行網格劃分設置。

注明：

在設置索夾鑄造模型網格劃分時，正方體網格大小設置為19mm規格，總網格數設置為1932420個正方體單元（根據索夾幾何尺寸計算機生成結果），是為了確保鑄造完成后的索夾毛坯件質量能夠達到設計要求UT探傷檢測二級合格標準（如要求UT探傷檢測一級合格則減小正方體網格尺寸，增加總網格數）。

4.4設置分析類型

在AnyCasting程序中，索夾鑄造模型澆鑄時，應充分考慮型腔充型情況及型腔充型前后的熱凝固情況。

4.5設置模型材料

在AnyCasting程序中，對索夾模型進行材料特性設置，所設置的材料特性與Solid Works Simulation程序所設置的參數相同。

注明：

（1）、鑄件型腔的材料：

在AnyCasting程序中的材料屬性歸屬于韓國KS標準中定義的材料屬性內容，通過對索夾ZG20Mn材料的化學成分及力學性能指標分析，結合中外材料對照表內容，確定韓國KS標準中的SM20C與ZG20Mn材料特性基本相符，所以在此處設置的鑄件型腔材料為SM20C。

（2）、冷鐵附屬件的材料：

在鑄造澆鑄過程中對冷鐵附屬件的材料應考慮該材料的熔點要大于鑄件型腔材料的熔點，避免在澆鑄過程中因冷鐵附屬件熔化，而失去在澆鑄時消除鑄件型腔內熱節點的作用。所以確定在此處設置的冷鐵附屬件材料為SM35C。

4.6設置鑄造澆鑄系統

在AnyCasting程序中，對索夾模型鑄造澆鑄系統的澆鑄溫度、鋼液在型腔中的上升速度、估計充型時間、澆口幾何尺寸進行設置。（圖14）

注明：

（1）、鑄造澆鑄系統的澆鑄溫度設置為1570℃（圖中數據1），是根據鑄造手冊（鑄造工藝5）中要求的常見鑄鋼件澆注溫度：復雜薄壁鑄鋼件壁厚在20～40mm之間，鑄鋼件毛重≤3000KG，澆鑄溫度在1570～1590℃之間選擇的。

（2）、鋼液在型腔中的上升速度設置為19.45mm/s（圖中數據2），是根據鑄造手冊（鑄造工藝5）中要求的鋼液在型腔中的最小允許上升速度：鑄件重量≤5t，鑄件結構在簡單與中等之間速度為15～20mm/s中計算得出的。

計算過程：先輸入建模時設置的澆口半徑40mm（圖中數據5），采用直接澆鑄方式，初設鋼液上升速度為20mm/s計算機通過鑄造型腔幾何尺寸計算，自動生成出估計充型時間為121.104904 Sec（圖中數據3），再用索夾鑄造模型尺寸的高度2356mm（圖中數據4）去除以充型時間（圖中數據3）得出鋼液在型腔中的上升速度為19.45mm/s該數據在鑄造手冊鋼液在型腔中的最小允許上升速度要求的范圍內，進而也驗證了建模時設置的澆口半徑是合理的。

4.7索夾模型鑄造分析結果

在AnyCasting程序中，計算機對索夾鑄造模型進行模擬分析計算結果如下：

1、鑄造凝固過程分析（圖15）：

2、鑄造缺陷位置分析（圖16）：

注明：

1、在鑄造凝固過程分析報告中，索夾重點部位：圓弧薄壁區靠近索夾端部耳板銷孔下方位置及兩耳板銷孔位置未出現最終凝固狀態，最終凝固部位都集中在冒口的中下方位置，而且該鑄造澆鑄系統實現了從下至上的順序凝固鑄造過程。

2、在鑄造缺陷位置分析報告中，索夾鑄造型腔完全凝固后，因冒口為鑄造型腔進行了凝固過程的補縮，所以該索夾鑄造完成后的缺陷均分布在冒口的中上方位置。

4.8結論

綜上所述索夾模型的最終鑄造凝固位置及鑄造缺陷位置，均分布在鑄造型腔的冒口處。索夾鑄造型腔凝固過程實現了順序凝固的狀態。根據鑄造手冊（鑄造工藝5）的要求針對索夾SJ2所設置的澆鑄系統幾何尺寸及分部位置、冷鐵分部位置、冒口幾何尺寸及分布位置、模具幾何尺寸及類型是合理準確的。

五、結語

關于索夾的制造過程，需要經過鑄造階段、熱處理階段、機加工階段、涂裝階段、焊接（缺陷修補）等。而本文闡述的計算機建模、模型受力分析、鑄造模擬，可以為監理工程師對部件制造過程質量的控制實現以下目的：

1、計算機建模，在制造前期監理工程師圖紙審查工作中，通過計算機模型的相互配合，可以直觀的找出部件幾何尺寸公差配合是否合理，不合理位置在哪里一目了然，同時也明確指出在機加工階段部件的具體位置要達到的精度要求。

2、模型受力分析，可以幫助監理工程師確定出該制造部件的重點受力位置，通過模型受力分析程序監理工程師可以針對該部件重點受力位置采取相應的質量控制措施，實現監理工程師對質量控制的目的。

3、鑄造模擬，可以幫助監理工程師審查施工單位上報的部件鑄造方案，對鑄造澆鑄系統的幾何尺寸及分部位置、冷鐵的幾何尺寸及分部位置、冒口的幾何尺寸及分部位置、模具的幾何尺寸及類型的設置是否合理。通過鑄造澆鑄過程模擬，明確的顯示出鑄造澆鑄完成后的鑄造型腔整個凝固過程，及鑄造缺陷的幾何尺寸及分布位置。通過鑄造模擬分析程序，解決了部件制造質量的根源（即原材料質量），為后續的部件產品質量奠定了扎實的基礎。

綜上所述，監理工程師通過采用計算機建模技術模擬索夾鑄造與受力過程，最終實現為整個制造項目的每一組部件制定出相對應的質量控制措施，進而達到“量身訂制”的質量控制目標。在監理工作要求更精確化的今天有助于幫助監理工程師做到對質量的精準控制。

參考文獻

[1]? 單祖輝.材料力學（1）[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]? 中國鋼結構協會.鋼結構制造技術規程[M].北京：機械工業出版社，2012.

[3]? 中華人民共和國交通運輸行業標準.JT/T903-2014 懸索橋索鞍索夾[S].北京：中華人民共和國交通運輸部，2014.

[4]? 中鐵九橋工程有限公司.橋梁鋼結構[M].北京：人民交通出版社，2014.

[5]? 《袖珍世界鋼號手冊》編寫組.鑄鋼和鑄鐵[M].北京：機械工業出版社，2010.

[6]? 中華人民共和國行業推薦性標準.JTG/T D65-05-2015 公路懸索橋設計規范[S].北京：中華人民共和國交通運輸部，2015.

[7]? 美國DS SOLIDWORKS公司.solidworks 工程圖教程[M].北京：機械工業出版社，2016.

[8]? 美國DS SOLIDWORKS公司.solidworks高級教程簡編[M].北京：機械工業出版社，2016.

[9]? 美國DS SOLIDWORKS公司.solidworks零件與裝配體教程[M].北京：機械工業出版社，2016.

[10]? 成大先.機械設計手冊（第五版）[M].北京：化學工業出版社.

[11]? 徐芝綸.彈性力學簡明手冊（第四版）[M].高等教育出版社，2013.