基于ANSYS的1000t運輸車主結構設計與分析

摘要：介紹1000t運輸車的主要功能和結構組成，研究1000t運輸車在不同工況下的車體結構強度和剛度，采用了三維軟件Solidworks建立主結構的有限元模型，基于ANSYS軟件進行了主結構的受力分析，得出主縱梁受力部件的最大變形量和最大應力值，提出修改位置和修改措施。計算結果和實踐驗證表明，該運輸車體主結構設計滿足現場施工要求。

關鍵詞：運輸車;車體結構;有限元模型

0" "引言

1000t運輸車主要功能是將混凝土預制箱梁，從預制場地轉運到橋梁施工的架設位置，并配合架橋機進行橋梁吊裝完成架設作業，同時運輸車還具備馱運架橋機通過路基或者隧道的功能。其可適用于250～350km/h鐵路及客運專線的多種長度梁型的整體運輸、轉運、架設等工況，可馱運混凝土箱梁或者馱運架橋機通過客運專線雙線隧道。

該運輸車為機電液一體化設備，采用全液壓傳動系統，以實現運輸車的液壓行走驅動、液壓懸掛升降、液壓行走轉向等作業動作?？刂葡到y具備失速保護和調速保壓功能，根據施工作業變化可以隨時調整對象的姿態并進行作業準確對位，能夠保證運輸車與架橋機協同作業的同步功能，通過對液壓系統中液壓泵、液壓馬達、液壓缸、液壓控制閥及散熱系統等液壓元器件的選型與匹配，可大大提高液壓系統的可靠性。

1" "1000t運輸車主要組成

運輸車主要包括前后司機室、主結構、懸架總成、轉向系統、前后馱梁小車、動力及液電控制系統等零部件。其中，車體主梁結構主要由兩側承載邊縱梁、中間小車承載梁及八組橫向梁組成，形成三縱八橫的格柵式承載結構。承載結構均為箱型梁結構，兩側承載縱梁材質為Q355，根據承載力變化，中間縱梁和橫向連接承載梁采用Q550鋼材，以增加其承載強度。所有分段設置法蘭連接面，采用高強度螺栓進行連接，其最大運輸單元滿足公路運輸限界要求。

液壓懸架輪組、中間小車承載梁及轉向系統等位于兩側邊縱梁的下部，整體形成凹體結構。司機室位于主體結構的兩端，且將一端設計為可旋轉結構，配合架橋機喂梁作業時，可旋轉至側面，以減小與架橋機的最小間隙。前后兩端設置液壓缸支腿，在小車移動到前端時，可分配來自混凝土箱梁的重力。整車除了滿足運輸混凝土箱梁外，還配備高低馱運支架，以滿足馱運架橋機完成轉場作業的要求，其關鍵技術參數如表1所示。

2" 主結構模型建立及仿真參數設置

運輸車在運輸混凝土箱梁過程中，其混凝土預制箱梁的重力，會通過兩端的馱梁小車傳遞到中間承載縱梁上，然后縱梁通過八組橫向連接梁擴散到兩側邊縱梁，最后由縱梁下端的懸架輪組全部承載。運輸車主結構總長57.8m，寬為8.66m，高為3.1m，整體為凹型結構，其兩側邊縱梁采用Q355鋼材，中間小車承載縱梁采用Q550鋼材，材料屬性節選部分如表2所示。

在機械結構靜力學分析中，單元類型的選擇、邊界條件的確定以及合理的單元數量，是保證模型計算精度的關鍵。為保證有限元計算的準確性和快速性，假定螺栓連接部分接觸良好，各焊件部分接觸良好，各焊接部分強度大于或等于鋼板基本強度。

模型采用Solidworks三維軟件實體建模，并對應力集中區域細化網格，以保證局部應力結果的準確性。因模型尺寸大，鋼板厚度相對很小，因此需要的模型網格數量巨大，計算全部在服務器計算求解。

為了使有限元模型與工程實際盡量接近，本課題采用四面體實體單元建模，這不但可以獲得滿意的計算精度，還能夠獲得普通桿單元、梁單元簡化所無法獲得的信息，尤其是結構中重要局部細節位置的應力和變形情況。

由于車架中所用到的結構件幾乎全部為焊接件，均具有壁薄長度大的特點，所以需要大量的單元數量，來獲得滿意的結構拓撲描述。這給計算機硬件條件要求帶來巨大的壓力，為了降低模型的單元數量，節約計算時間，考慮變形對稱性，本課題采用對稱模型，截取車架的一半進行建模。鑒于單元數量巨大，模型求解對計算機內存和CPU資源的要求均很高，為了能夠順利進行求解，特別采用服務器集群作為平臺。

3" "主結構工況載荷及約束說明

運輸車實際作業工況需運輸40m、32m、24m三種箱梁型式，分別對應載荷為1000t、900t及700t，針對不同箱梁長度時，運輸車馱梁小車以及臨時支撐液壓缸支撐布置的不同，同時在1000t箱梁作業時不同過程中的載荷也存在差異，要區別對待，作業步驟工況如表3所示。初步對其進行計算分析后得出最大彎矩工況，運輸1000t、40m梁時（表3工況1）運輸車受彎矩最大，將其作為本文的重點論述對象，其他工況不在此贅述。

車架整體結構采用鋼板焊接結構，鋼板厚度相對車架尺寸而言，厚度很小。計算模型采用實體網格，為保證計算模型的準確性，需要劃分的網格很細。為保證計算效率，采用對稱模型進行有限元分析。

本文對1000t運輸載荷進行分析，其對應的載荷約束情況如下：水平剛性位移約束放在整個結構位移變形最小的位置，只進行水平方面約束，以保證計算過程無剛體位移。固定約束位置為運載過程混凝土梁與橫梁的接觸位置。如圖1所示。

4" "主結構模型加載及結果分析

運輸車主結構設計參考GBT3811起重機設計規范，采用許用應力法校核分析時，安全系數為1.48，即屈服極限比計算值大于1.48時，認為結構滿足強度校核要求。同時，結構承壓部分的載荷許用上限為1.4σs，變形量撓度以不超過結構總長L/300為標準，即認為結構滿足剛度校核要求。

預制混凝土箱梁長度為40.6m，質量為1000t，車架主梁材質為Q355，強度355MPa。結合根據上述載荷分析，對運輸1000t、40.6m箱梁時主結構載荷進行計算，得出部分加載數據如表4所示。其中F1、F2、F3、F4、F5為各液壓懸掛分組受力和液壓頂缸位置受力載荷。對各項數據綜合分析后給出變形、應力分布，并根據模擬結果，提出結構改進建議。

本計算結果主要用于分析運輸車將混凝土箱梁運輸到架設工位運輸過程（表2工況1）的車架結構強度、變形等數據。車架承載后的等效應力分布云圖如圖2所示。

1000t載荷工況1下，車架主縱梁承載后的等效應力分布如圖3所示。主縱梁應力最大處板厚為12mm，故屈服強度為355MPa。車架主縱梁最大應力值位置為承載橫梁與主縱梁的接觸區域，最大值為239.614MPa，安全系數為1.48，滿足許用安全系數1.48（許用應力240MPa）。

同時，本工況分析時，將混凝土箱梁與主承載結構的接觸區域固定，主縱梁變形大的一側存在略微載荷偏置現象。在實際中工況，該區域會有一定協調變形。因此，本應力略微超過許用應力值的現象，可以忽略。建議如果想進一步提高其強度，可適當增加加強筋厚度、降低兩側加強筋間距。

1000t載荷工況1加載時，車架主縱梁承載后位移云圖如圖4所示。其最大變形量為41.31mm，主縱梁長度為57800mm，滿足主梁撓度不超過車架主梁總長L/300（192.67mm）的要求。

1000t載荷工況1下，車架橫梁承載后的等效應力分布云圖如圖5所示。橫梁應力最大處板厚為20mm，故屈服強度為540MPa。橫梁筋板處有直角區域，應力計算過程在拐角處存在畸變，該處應力結果忽略。本載荷工況下，應力最大值為315.928MPa，安全系數為1.70，滿足許用安全系數1.48的要求。

工況1車架橫梁承載后的變形云圖如圖6所示。其最大變形量為4.76mm，小于橫梁長度L/300（10.72mm）最大變形量標準。其他工況分析結果不在詳述，根據分析數據可以得出結論，運輸車主結構強度和剛度滿足使用要求。

5" "結論

本文以1000t運輸車主結構為分析模型，采用Solidworks進行三維建模，通過Ansys有限元分析軟件進行受力加載和數據結果分析，對其應力分布和變形云圖進行復核，提出了針對性的修改建議，使結構設計更加穩定、可靠、安全。

目前該1000t運輸車正在昌景黃項目施工現場使用，其實際測量數據與設計值基本相同，可見上述載荷加載與數據分析具有可借鑒意義，具有很高的推廣價值。本項目為河北省省級科技計劃資助（Samp;T Program of Hebei）項目，立項編號20311901D。

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