基于ANSYS的DF40/200型架橋機金屬結構有限元分析

摘 要：【目的】為了保證施工安全，架橋機作為大型起重設備在投入使用前需要對其進行強度和剛度校核。【方法】以DF40/200型架橋機為研究對象，介紹了架橋機的結構組成和作業流程。通過APDL參數化建模方法在ANSYS軟件中建立架橋機最危險架設和過孔工況的有限元模型，并對模型進行有限元計算。【結果】通過有限元分析得到，在7級風架設和6級風過孔工況下，整機的應力和位移結果。通過對結果進行分析，驗證了架橋機在最危險架設和過孔工況下，其金屬結構的強度和剛度均滿足使用要求。【結論】主梁自重較大且是架橋機的主要承重部件，通過有限元計算獲得了架橋機主梁金屬結構的應力與位移云圖，確定其結構設計滿足要求，同時得出架橋機主梁存在優化空間，為之后的架橋機主梁優化提供了可靠的依據。

關鍵詞：架橋機；金屬結構；有限元分析

中圖分類號：U445.36 " "文獻標志碼：A " " 文章編號：1003-5168（2024）12-0046-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.12.009

Metal Structure Finite Element Design Technology of DF40/200 Bridge Erection Machine Based on ANSYS

HAN Linshan ZHANG Xu WU Chenchen

（School of Mechanical Engineering， North China University of Water Resources and Electric Power， "Zhengzhou 450000， China）

Abstract： [Purposes] In order to ensure construction safety，as a large-scale lifting equipment， the bridge crane needs to be put into use before the strength and stiffness calibration. [Methods] This paper takes DF40/200 type bridge erection machine as the research object， and introduces the structural composition and operation process of bridge erection machine. The finite element model of the most dangerous erection and over-hole condition of the bridge erection machine is established in ANSYS software through the parametric modeling method of APDL， and finally the finite element calculation is carried out on the model. [Findings] The results of stress and displacement of the whole machine under the erection in class 7 wind and over-hole condition in class 6 wind are obtained by finite element analysis. By analyzing the results， it is verified that the bridge erector meets the usage requirements under the most dangerous erection and over-hole working conditions， as well as the strength and stiffness of its metal structure. [Conclusions] The main girder has a large self-weight and is the main load-bearing part of the bridge.Through the finite element calculation， the stress and displacement cloud diagram of the main girder metal structure of the bridge is obtained and it is determined that its structural design meets the requirements. And at the same time， it is concluded that the main girder of the bridge exists the optimization space for the subsequent optimization of the main girder of the bridge， which provides a reliable basis for the optimization of the main girder of the bridge.

Keywords： bridge erection machine; metal structure; finite element analysis

0 引言

架橋機是一種大型起重設備，其主要功能是將預制好的橋梁部件放到相應的位置上［1］。現在有不同結構形式的架橋機廣泛應用于橋梁施工工程中，在城市橋梁架設過程中，需要對相應的路段進行封閉管理，因此架橋機的作業效率會影響當地的交通，在一定程度上也會對經濟產生影響。因此，為了提高架橋機的施工效率，盡量減小對城市交通的影響［2］，本研究設計了DF40/200型一體化架橋機。為確保架橋機能夠正常工作，需要對其金屬結構進行分析。主梁是架橋機的主要承重結構，能否滿足架橋機架設與過孔時的強度和剛度要求，是衡量架橋機性能的重要指標。此外，主梁的重量在架橋機總重之中占比較大，如果對其結構進行優化，不但可以減少主梁的重量，還可以降低架橋機的材料消耗量。這樣既能減少浪費，又能為企業降低生產費用。

1 DF40/200型架橋機結構組成及作業流程

1.1 DF40/200型架橋機結構組成

DF40/200型架橋機主要由雙桁架梁及聯系梁組成的主梁、五條支腿、前天車、后天車、附屬結構、液壓系統、電氣系統等組成，如圖1所示，其中1是主梁、2～6分別是1～5號支腿、7是后天車、8是前天車、9是液壓系統、10是電氣系統。

1.2 DF40/200型架橋機的作業流程

①一體機架梁狀態時，4條支腿共同支撐主梁。②運梁車運送蓋梁到一體機主梁后方。③前天車提起蓋梁。④前天車提蓋梁縱移到架設蓋梁位置并將蓋梁縱、橫向對位落放、安裝。⑤對蓋梁濕接縫進行灌漿、等強。⑥前、后天車返回主梁后方取T梁。⑦架設后跨T梁，T梁架設完成后，墩柱、蓋梁已經完成了等強。⑧一跨架設完成后開始過孔，通過2、3支腿托輥輪驅動主梁前進到位。⑨后天車起吊蓋梁安裝支架到前方墩柱安裝，過孔完成，開始下一個工作循環。

2 建立DF40/200型架橋機模型

由于架橋機的作業工況比較多，需要頻繁地對模型進行修改，為了節省修改模型的時間，采用參數化語言（APDL）的方式對架橋機的金屬結構進行建模和分析［3］。在建立模型的過程中，不必把架橋機上每個零件都進行建模，可以對架橋機實際結構進行適當簡化。通過相關設計理論對架橋機結構特點進行分析研究，可以把那些不太重要的點或者不是主要受力結構的構件做簡化或等效處理［4］。根據設計要求可知，架橋機的主梁主要由桿件組成。架橋機主梁上、下弦桿的材料為Q460，架橋機主梁豎、斜撐和平連桿及支腿結構的材料為Q355。因此，在建立架橋機主梁截面時采用平面單元plane82，在建立主梁和支腿時采用梁單元beam188。首先建立架橋機主梁各截面模型，然后通過添加截面方式建立架橋機主梁模型，接著單獨建立每個支腿的模型，最后通過節點耦合方式建立架橋機的整體模型。利用ANSYS軟件建立的架橋機有限元模型如圖2所示。

3 載荷施加

架橋機工作時受到的載荷主要有各組成部件的自重、天車與起吊物的自重以及施工環境中的風載荷。對于各組成部件的自重，可以通過命令ACEL，，9.8，0的方式進行施加。對于天車與起吊物的自重，可以通過集中力的方式施加在主梁上。對于架橋機所受到的風載荷，通過式（1）進行計算。

[Pw=CpA] （1）

式中：[Pw]為最大風載荷，N；[C]為風力系數；[p]為計算風壓，N/m2；[A]為迎風面積，m2。

架橋機在架設過程中最高承受7級風壓，在過孔過程中最高承受6級風壓，在非工作狀態時最高承受11級風壓。當風向垂直于施工方向，架橋機會受到最大風荷載，承受風載荷的部件主要包括主梁及五個支腿。風力系數取1.7，6級、7級、11級風的計算風壓分別為250 N/m2、350 N/m2、1 000 N/m2。7級風及6級風各部分機構所受風載荷以均布載荷的形式施加在受風面上。架橋機載荷施加如圖3所示。

4 有限元計算分析

架橋機的作業過程可以分為兩個階段，第一個階段是架設過程，第二個階段是過孔過程。下面分別選取兩個對影響架橋機結構較大的工況進行計算分析。采用許用應力法式（2）對整機進行強度校核［5］。

[σ≤σ=σsn] "（2）

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

采用式（3）對整機進行剛度校核。

[YL≤L500] "（3）

式中：[L]為跨度；[YL]為架橋機金屬結構的Y向變形結果。

4.1 工況一

架橋機受橫向7級風影響，前天車提蓋梁會移動至架設跨的跨中，此時由2、3號支腿支撐整機。計算結果如圖4和圖5所示。由此可知，架橋機整體的最大等效應力為188.65 MPa，發生在2號支腿托輥輪箱中部，其材質為Q355，許用應力為236.7 MPa，因此架橋機的整體強度滿足要求。架橋機整體的最大Y向變形為-81.9 mm，出現在主梁架設跨跨中。主梁允許最大撓度為84 mm，因此架橋機整體剛度滿足要求。

4.2 工況二

架橋機受橫向6級風過孔到40 m臨界狀態，此時由2、3、4號支腿支撐。計算結果如圖6和圖7所示。由此可知，架橋機整體的最大等效應力為231.28 MPa，發生在下弦桿上2號腿支撐處，其材質為Q460，許用應力為306.7 MPa，因此架橋機的整體強度滿足要求。

5 結論

本研究采用ANSYS有限元軟件，對DF40/200型架橋機在危險工況下進行了有限元分析，得出以下結論。

①架橋機在7級風條件下進行架設工作，其結構的強度和剛度均滿足使用要求。

②架橋機在6級風條件下進行過孔，其結構的強度和剛度均滿足使用要求。

③通過對架橋機主梁的應力和變形結果進行分析表明，主梁的金屬結構存在優化空間，為之后的架橋機主梁優化提供了依據。

參考文獻：

［1］孫振軍，侯杰，崔國華，等.JQS35-220t步履式雙導梁架橋機主梁靜態特性與模態分析［J］.機械設計，2021，38（4）：95-101.

［2］彭華.500 t輪軌式提梁機設計及有限元分析［J］.機電工程技術，2021，50（5）：195-197，273.

［3］趙長勇，張系斌，翟曉鵬.基于ANSYS參數化語言APDL的結構優化設計［J］.山西建筑，2008（3）：362-363.

［4］韓林山，牛帥，靳康.基于ANSYS的DP60/30B型節段拼裝架橋機金屬結構有限元分析［J］.河南科技，2017（23）：23-25.

［5］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］.https：//std.samr.gov.cn/gb/search/gbDetailed？id=71F772D76EE6D3A7E05397BE0A0AB82A.