基于有限元橋梁伸縮縫清理器械的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王義平

(新疆奎屯公路管理局)

基于有限元橋梁伸縮縫清理器械的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王義平

(新疆奎屯公路管理局)

針對(duì)當(dāng)前工作中使用的橋梁伸縮縫清理器械的缺陷，采用面向制造的先進(jìn)技術(shù)，運(yùn)用UG、ANSYS軟件對(duì)橋梁伸縮縫鉤刀進(jìn)行了CAD/CAE建模和力學(xué)特性研究，得到了鉤刀單元的應(yīng)力分布，從改善力學(xué)特性的角度提出了鉤刀的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化后分析結(jié)果肯定了優(yōu)化方案的可行性。

有限元;橋梁伸縮縫;清理器械;優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

橋梁伸縮縫主要用來調(diào)節(jié)由車輛荷載環(huán)境特征和橋梁建筑材料的物理性能所引起的上部結(jié)構(gòu)之間的位移和上部結(jié)構(gòu)間的聯(lián)結(jié)。橋梁伸縮縫的養(yǎng)護(hù)一直是公路養(yǎng)護(hù)工作中的難點(diǎn)之一，目前市面上通常采用的方法主要有:(1)采用鐵釬將伸縮縫里面的灰塵、砂石撬出，然后用掃帚清掃;(2)首先用竹片樁的尖端把伸縮縫中的橡膠皮用力刮一遍，然后利用吹風(fēng)機(jī)吹一遍;(3)采用鋼鐵等材料制作的清理工具刮除伸縮縫中雜物;(4)上海法赫公司生產(chǎn)的采用高壓水射流清洗伸縮縫的清洗機(jī)，75 000元/臺(tái)。從這些方法中，可以發(fā)現(xiàn)部分“設(shè)備”的實(shí)用性不強(qiáng)，工作器械較為原始，操作中對(duì)伸縮縫里的橡膠條產(chǎn)生損壞較大;部分較先進(jìn)的設(shè)備技術(shù)性強(qiáng)，但經(jīng)濟(jì)成本較高無法普及使用。

目前工作單位所使用的橋梁伸縮縫清理器械為2009年自行研制的的橋梁伸縮縫鉤刀，主要原理是上述第3種方法，經(jīng)濟(jì)、方便，但由于設(shè)計(jì)外型使得操作中容易造成鉤刀刮傷伸縮縫中的橡膠條，以及外形的力學(xué)性能缺陷使得該器械逐漸停用。針對(duì)該問題，本文在均衡技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的條件下，采用面向制造的先進(jìn)技術(shù)對(duì)鉤刀進(jìn)行力學(xué)特性研究，找到鉤刀的薄弱部位并進(jìn)行優(yōu)化再設(shè)計(jì)。

1 本文研究的技術(shù)流程

面向制造的設(shè)計(jì)技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)中的主體技術(shù)，主要包含:產(chǎn)品、工藝過程和工廠設(shè)計(jì);快速成型技術(shù);并行工程等。在產(chǎn)品的全生命周期中為了提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，往往使用一些先進(jìn)的工具(如CAD系統(tǒng)，CAE軟件等)采取協(xié)同方式對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文采用面向制造的技術(shù)，對(duì)鉤刀的實(shí)體模型，劃分網(wǎng)格采用有限分析法進(jìn)行研究和優(yōu)化，具體流程如下:

(1)建立鉤刀的三維CAD模型;

(2)建立鉤刀的有限元模型;

(3)進(jìn)行鉤刀力學(xué)特性分析;

(4)對(duì)原模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);

(5)對(duì)優(yōu)化模型力學(xué)再分析直至消除應(yīng)力集中區(qū)域;

(6)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)束。

2 建立鉤刀的三維CAD模型

UG是Unigraphics Solutions公司推出的集CAD/CAM/CAE于一體的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件，在汽車、交通、航空航天、日用消費(fèi)品、通用機(jī)械及電子工業(yè)等工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了大規(guī)模的應(yīng)用。它提供了一個(gè)基于過程的產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)境，使產(chǎn)品開發(fā)從設(shè)計(jì)到加工真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無縫集成，從而優(yōu)化了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造。

對(duì)伸縮縫鉤刀進(jìn)行研究，首先要建立伸縮縫清理器械的三位CAD模型。根據(jù)伸縮縫鉤刀的實(shí)際尺寸和形狀，運(yùn)用UG軟件建立鉤刀的三位實(shí)體模型。

3 伸縮縫清理鉤刀的有限元模型

隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，限元法(FEM)也得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步和廣泛應(yīng)用。有限元法的基本思想是先將求解域離散成有限個(gè)單元，用有限個(gè)單元的集合近似代替原連續(xù)求解域，對(duì)每個(gè)單元選擇一個(gè)簡(jiǎn)單的近似場(chǎng)函數(shù)，建立單元節(jié)點(diǎn)平衡方程并求解。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。它是由美國(guó)有限元分析軟件公司ANSYS所開發(fā)，功能強(qiáng)大，主要包括前處理模塊、分析計(jì)算模塊、后處理模塊。

將伸縮縫鉤刀的UG模型導(dǎo)入有限元軟件ANSYS中，設(shè)定屬性參數(shù)，對(duì)三位CAD模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立鉤刀的有限元模型。

4 力學(xué)特性研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)在養(yǎng)護(hù)作業(yè)過程中，使用鉤刀清理伸縮縫時(shí)鉤刀刀面與路面夾角的大小將影響鉤刀的整體受力情況。以成年男性使用鉤刀為例，采用有限元方法對(duì)鉤刀進(jìn)行力學(xué)分析，應(yīng)力范圍0 ～355.952 Pa。

從應(yīng)力分布圖可見，鉤刀應(yīng)力集中區(qū)域主要在刀桿頂部(載荷施加處，分析時(shí)排除)、刀桿下部的彎角部位，彎角前后部出現(xiàn)應(yīng)力最大值約356 Pa。鉤刀清理雜物時(shí)，雜物一般較小或零碎，對(duì)刀面的破壞性極小，即使在清理重物時(shí)，刀面也不存在較大變形，不會(huì)影響刀面功能，而在重物作用下刀桿兩端受力較大，當(dāng)?shù)稐U下部達(dá)到疲勞強(qiáng)度極限時(shí)，在彎角部分易先出現(xiàn)裂紋而破壞。

在實(shí)際養(yǎng)護(hù)過程中發(fā)現(xiàn)，鉤刀刀面兩側(cè)邊會(huì)劃傷橋梁伸縮縫中的橡膠條，主要原因?yàn)榈都饧怃J易戳傷橡膠條，刀面?zhèn)冗吘墰]有采取倒圓設(shè)計(jì)處理，刀面?zhèn)冗吚饨且讋潅鹉z條。

為進(jìn)一步解決實(shí)際使用過程中存在的問題，對(duì)橋梁伸縮縫鉤刀從力學(xué)性能和實(shí)用性上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)刀尖采取拓寬處理，刀面邊緣采用倒圓角處理，對(duì)優(yōu)化后鉤刀采用同樣條件有限元分析。

優(yōu)化后鉤刀的三維CAD模型，刀面前端不易因單點(diǎn)受力而劃傷橡膠條，且前端工作面增大將更加提高工作效率，刀面?zhèn)冗吘壍箞A處理能更有效地保護(hù)橡膠條。

優(yōu)化后鉤刀應(yīng)力集中區(qū)域主要在刀桿頂部(載荷施加處，分析時(shí)排除)。其他區(qū)域應(yīng)力相對(duì)不大，優(yōu)化后刀桿下部應(yīng)力明顯減小，處于67～135 Pa范圍，而優(yōu)化前刀桿下部應(yīng)力處于158～237 Pa范圍?？梢妰?yōu)化后的鉤刀桿部應(yīng)力的最大值也遠(yuǎn)小于優(yōu)化前的值，說明從力學(xué)特性來考慮該優(yōu)化方案是可行的。

5 結(jié)束語(yǔ)

采用面向制造的先進(jìn)技術(shù)對(duì)道路橋梁伸縮縫養(yǎng)護(hù)中實(shí)際使用的鉤刀進(jìn)行了深入研究，找到了伸縮縫鉤刀的薄弱部位并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，這不僅有利于養(yǎng)護(hù)器械的技術(shù)創(chuàng)新，更有利于道路養(yǎng)護(hù)工作的高效開展。

［1］陜西公路局.公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范(JTG H11－2004)［S］.2004.

［2］張世昌.先進(jìn)制造技術(shù)［M］.天津大學(xué)出版社，2004:7－9.

［3］王義平，孫文磊，趙群.面向制造的技術(shù)在股骨轉(zhuǎn)子間骨折手術(shù)中的應(yīng)用研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010，(9).

U418.3

C

1008－3383(2012)08－0089－01

2012－03－28

王義平(1985－)，女，四川眉山人，研究方向:公路交調(diào)設(shè)備、養(yǎng)護(hù)機(jī)械的管理、維護(hù)及應(yīng)用研究。