基于ANSYS的1 500 t造槽機有限元分析

摘 要：【目的】作為大型水利渡槽施工設備，造槽機在投入使用前需要進行強度及剛度校核，以保證施工安全。【方法】以1 500 t U型造槽機為研究對象，采用APDL參數化建模方法，對造槽機進行整體建模。利用ANSYS有限元分析軟件，選取最危險澆筑、過孔工況，對造槽機進行有限元分析計算。【結果】通過有限元分析得到了在8級風澆筑混凝土、6級風過孔工況下，整機的應力、位移、屈曲分析結果以及主梁的應力位移變化曲線。【結論】通過對上述工況下應力、位移、屈曲分析結果的研究，驗證了造槽機在澆筑工況下，強度、剛度、穩定性均滿足使用要求。同時通過分析主梁在不同距離過孔時的應力位移結果，得出造槽機主梁存在可優化空間，為進一步研究造槽機的主梁優化提供參考。

關鍵詞：造槽機；有限元仿真分析；APDL；主梁

中圖分類號：TV672.3" " 文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）11-0029-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.11.006

Finite Element Analysis of 1500t Trough Making Machine Based on ANSYS

HAN Linshan WU Chenchen ZHANG Xu

（School of Mechanical Engineering， North China University of Water Resources and Electric Power，

Zhengzhou 450000， China）

Abstract：[Purposes] As a large-scale water conservancy trench construction equipment， the trough making machine needs to be calibrated for strength and stiffness before it is put into use to ensure construction safety.[Methods] In this paper， taking 1500 t U-type slot-making machine as the research object， APDL parametric modelling method is adopted to model the slot-making machine as a whole. Using ANSYS finite element analysis software， the most dangerous pouring and over-hole working conditions are selected to carry out finite element analysis and calculation of the slot-making machine.[Findings]The results of stress， displacement and buckling analyses of the whole machine and the strain-displacement change curves of the main beams were obtained by finite element analysis under the conditions of pouring concrete in class 8 wind and crossing the hole in class 6 wind.[Conclusions] Through the study of the results of stress， displacement and buckling analysis under the above working conditions， it is verified that the strength， stiffness and stability of the groove maker meets the requirements for use under the casting conditions. Meanwhile， by analyzing the results of stress and displacement of main beam at different distances over the hole， it is concluded that there is room for optimization of the main beam of the slot-making machine， which provides a reference for further research.

Keywords： trough making machine; finite element simulation and analysis; APDL; main beam

0 引言

造槽機在渡槽建設領域具有重要的應用價值，其是通過參考橋梁移動模架造橋機的經驗而研制的一種渡槽專用大型設備［1］。該設備主要用于在河流、湖泊等水域上建造渡槽，對比傳統的施工方法，其能適應多種復雜地形和天氣狀況，從而快速、高效地完成渡槽的施工任務。此外，造槽機還具有自動前移功能，可以根據施工需要調整位置。并且設備配備了自帶模板，可以保證渡槽的施工質量，確保渡槽的穩定性和耐久性。這些優良特點使得造槽機在水利渡槽施工中得到了廣泛的應用。

1 造槽機結構組成及施工流程

1.1 造槽機結構組成

本研究設計的造槽機為上行式兩跨結構U型造槽機，可一次澆筑最大重量為1 500 t、跨度42 m的大型渡槽。造槽機主要由主梁、導梁、挑梁、吊掛外肋、1號固定支腿、2、3、4號活動支腿、外模系統、液壓內模系統、端模系統、電氣系統等部分組成。其結構如圖1所示。

1.2 造槽機施工流程

①整機設備開始位于兩墩頂作業位置，澆筑模式下2、3支腿與墩頂固定支撐。

②完成混凝土養成等流程后，2、3支腿下落脫模，外模系統旋轉開啟準備過孔。

③啟動2、3支腿縱移油缸整機前移16 m，此時1號腿到前方墩頂支撐。

④4號腿開始支撐，同時松開3號腿升空并前移一跨至前方墩頂下落重新支撐。

⑤放松2號支腿并前移一跨至前方墩頂支撐，1號腿松開升空。

⑥啟動2、3、4支腿縱移油缸使整機前移7.5 m，脫空4號腿。

⑦啟動2、3支腿縱移油缸，整機前移18.5 m，4號腿吊掛前移7.5 m。

⑧2、3支腿調整重載支撐模式，至此一個工作循環結束。

2 造槽機有限元分析

2.1 有限元模型建立

造槽機主梁為箱形斷面，導梁為桁架結構，縱橫完全對稱。主梁、挑梁均采用自定義截面，導梁采用變截面。使用beam188梁單元來模擬主梁、導梁、挑梁和外肋結構。外肋與主梁間采用link8桿單元模擬，各主梁間采用高強螺栓連接；混凝土梁使用soild95實體單元模擬。單獨建立各個部件有限元模型，利用CDWRITE命令將各模型保存為CDB文件格式。在裝配時將主梁等部件依次調入，快速建立造槽機整體模型。有限元模型如圖2所示。

2.2 載荷施加及約束

分析造槽機澆筑施工時所受載荷，包括各部件自重載荷、外肋上1 500 t的混凝土梁和8級風載荷。各部件自重載荷利用ACEL，9.8，0 的命令進行施加。混凝土梁采用單獨建模方式，并將內膜系統及混凝土梁的重量以載荷的方式，施加到支撐點上。造槽機澆筑過程可抗8級風載，移位過程可抗6級風載。對于風載荷以均布載荷的形式施加在主梁、支腿等受風面上。

造槽機的約束條件為在實際施工狀態下，造槽機2、3支腿支撐于墩頂，仿真時將支腿與墩頂接觸位置添加約束。對于主梁、導梁等各部件之間的連接，單節點間采用節點耦合方式；單節點與多個節點間采用MPC連接方式［2］。造槽機整體載荷施加及約束如圖3所示。

3 造槽機有限元分析結果

3.1 造槽機8級風滿載工況強度分析

造槽機在澆筑施工時可抗風力為8級，且考慮到同時澆筑1 500 t混凝土梁為造槽機最危險工況之一。此時，2、3支腿支撐其整機等效應力及Y向位移云圖如圖4和圖5所示。

采用許用應力法對整機進行強度校核［3-5］見式（1）。

式中：[σs]為材料的屈服極限；[n]為材料的安全系數；[σ]為材料許用應力。

由圖4可知，此時應力最大值為210.785 MPa，發生在外肋底部支撐連接處。此處材質為Q355B，許用應力[σ]為236.7 MPa，因此澆筑工況下整機強度滿足使用要求。

3.2 造槽機屈曲分析

造槽機整體絕大部分采用鋼結構組成，考慮到鋼結構容易失穩，帶來的危害性較大。因此，對造槽機整體結構完成強度分析后，可利用ANSYS軟件屈曲分析模塊對造槽機進行特征值屈曲分析，前3階模態對應的結果如圖6至圖8所示。

由圖6至圖8可知，造槽機整體一階屈曲分析特征值為3.819 66，其值大于2，因此，造槽機滿足穩定性要求。

3.3" 造槽機過孔時有限元分析

主梁作為造槽機的主要承重部件之一，對檢驗造槽機的安全極為重要。因此，過孔時選取主梁部件來分析其應力及變形情況。以過孔距離5 m為一工況得出的結果如圖9和圖10所示。

同一過孔位置出現不同點位是因為此時有換腿過程。如16 m時上方點位為2、3支腿支撐時主梁應力值，下方則是2、3、4支腿支撐時主梁應力值。

由圖9可知，過孔時主梁應力大致分布在25～60 MPa之間，遠小于許用值236.7 MPa。

對造槽機主梁剛度進行校核時，其主梁撓跨比應滿足的條件見式（2）。

[YL≤L/1000] （2）

式中：[L]為跨度；[YL]為Y向變形有限元計算結果。

由圖10可知，主梁Y向變形最大值的絕對值為30 mm，發生在2、3支腿支撐過孔23.5 m時；主梁變形小于許用剛度45 mm。綜上所述，在過孔時主梁強度剛度均滿足許用條件，且仍留有較大安全余地。

4 結論

本研究采用ANSYS有限元軟件，對1 500 t U型造槽機在危險工況下進行了有限元分析，得出如下結論：①在8級風澆筑施工條件下，造槽機整機穩定性及結構強度滿足使用要求；②造槽機在0～43 m移位過孔時，主梁結構滿足強度、剛度使用要求；③通過分析主梁應力、位移變形結果可知，主梁存在優化空間，為進一步研究主梁優化提供了參考。

參考文獻：

［1］吳建磊，黃海.薄壁U型渡槽造槽機的優化設計［J］.價值工程，2020，39（21）：154-155.

［2］韓林山，李金興，韓永華.基于ANSYS的1 600 t造橋機金屬結構有限元設計技術研究［J］.河南科技，2017，（1）：32-34.

［3］呂彭民，楊龍飛，王斌華.變幅寬移動模架結構的有限元分析與試驗研究［J］.鄭州大學學報（工學版），2015，36（2）：43-46.

［4］全國起重機械標準化技術委員會.起重機設計規范： GB/T 3811—2008 ［S/OL］. （2008-04-30）［2024-04-28］.https：//std.samr.gov.cn/gb/search/gbDetailed？id=71F772D76EE6D3A7E05397BE0A0AB82A

［5］ 史妍妮，呂彭民，梁佳.MSS50雙幅整體澆筑式移動模架力學性能仿真分析［J］.筑路機械與施工機械化，2016，33（11）：98-102.

收稿日期：2024-04-28

作者簡介：韓林山（1964—），男，博士，教授，研究方向：機械設計及理論；吳琛琛（1997—），男，碩士，研究方向：機械工程；張續（2001—），男，碩士生，研究方向：機械工程。