某桁架式橋梁檢測車垂直臂剛架結(jié)構(gòu)的拓撲及尺寸優(yōu)化

單 龍，崔 哲，任建峰，牛 松，許偉龍，姜文光

（1.清華大學 機械工程系，北京 100084；2.燕山大學 機械工程學院，河北 秦皇島 066004）

橋梁檢測車是一種可以為橋梁檢測人員在檢測過程中提供作業(yè)平臺，裝備有橋梁檢測儀器，用于流動檢測和（或）維修作業(yè)的專用汽車。它可以隨時移動位置，能安全、快速、高效地讓檢測人員進入作業(yè)位置進行流動檢測或維修作業(yè)［1］。

桁架式橋梁檢測車采用通道式工作平臺，穩(wěn)定性好，承載能力大，使用時檢測人員能方便地從橋面進入平臺或返回橋面。垂直臂是用來連接橋下工作平臺與橋上車體，調(diào)節(jié)伸縮臂平臺的升降，是主要受力構(gòu)件，其強度和剛度對檢測車在作業(yè)時的穩(wěn)定性和安全性有著決定性作用，因此對垂直臂結(jié)構(gòu)進行靜力學計算分析是非常必要的［2］。

由于桁架式橋梁檢測車結(jié)構(gòu)一般較大并且非常復雜，所以以往人們多是在SolidWorks、Pro/E等三維造型軟件中建好橋檢車結(jié)構(gòu)的幾何模型，然后通過HyperMesh建立簡化有限元模型，最后用有限元求解軟件進行計算［3］。本文為了模擬垂直臂與連接架滑塊間的真實滑動副關系，利用ANSYS中的APDL語言建立了橋檢車結(jié)構(gòu)的參數(shù)化有限元模型，并且在垂直臂與滑塊接觸部位添加了面面接觸單元，對垂直臂進行了接觸計算。

1 桁架式橋梁檢測車簡介

桁架式橋梁檢測車采用了四級伸縮、二級回轉(zhuǎn)、三級變幅機構(gòu)，形成了三維空間，六個自由度的空間運動體系?？梢栽跇蛳滦纬瑟毩⒐ぷ髌脚_，方便工作人員行走。某型號桁架式橋梁檢測車整機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某型號桁架式橋梁檢測車整車結(jié)構(gòu)示意圖

其主要由車架平臺、轉(zhuǎn)臺、連接架、垂直臂、二回轉(zhuǎn)、基本臂和伸縮臂等部分組成。其中轉(zhuǎn)臺可以實現(xiàn)升降、伸縮、變幅；作業(yè)平臺（基本臂和伸縮臂）可延伸至橋底；垂直臂可以升降。

2 參數(shù)化有限元模型建立

由于接觸問題是一種高度非線性行為，求解過程需要反復迭代計算。所以，為了提高計算效率，節(jié)省計算機資源，而又能真實的反映出垂直臂在工作時的受力狀態(tài)，選取了伸縮臂、基本臂、二回轉(zhuǎn)、垂直臂、連接架等五部分作為整體進行靜力學有限元分析。

2.1 垂直臂參數(shù)

某桁架式橋梁檢測車垂直臂是由無縫方鋼管焊接而成的剛架結(jié)構(gòu)，如圖2所示。垂直臂主管和弦桿均采用Q460管材，主管截面示意圖如圖3所示。

圖2 垂直臂結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 垂直臂主管截示意圖

根據(jù)垂直臂的結(jié)構(gòu)特點及主管截面形狀，選取的主要參數(shù)有：主管管材壁厚T＿1、弦桿管材壁厚T＿2、主管管材截面長L、主管管材截面寬W、檔距S。垂直臂建模需要的其余參數(shù)根據(jù)與主要參數(shù)之間的函數(shù)關系確定。該桁架式橋梁檢測車的伸縮臂、基本臂、二回轉(zhuǎn)及連接架等部件所需的建模參數(shù)按照與垂直臂類似的原則選取。

2.2 單元類型及網(wǎng)格劃分

某桁架式橋梁檢測車的伸縮臂、基本臂主要是以不同截面形狀的方管焊接而成，為減小模型規(guī)模選用beam188單元建立。垂直臂、二回轉(zhuǎn)、連接架均采用solid186單元建立，二回轉(zhuǎn)與基本臂聯(lián)接的油缸以及垂直臂的升降油缸采用link8單元模擬。垂直臂與滑塊之間添加面面接觸單元，接觸單元采用conta174，目標單元采用targe170。

采用ANSYS軟件提供的APDL語言，直接在ANSYS軟件中建立整機的參數(shù)化有限元模型。有限元模型采用自底向上（點—線—面—體）的建模方法。網(wǎng)格劃分采用映射網(wǎng)格劃分方式，這樣可以確保單元的質(zhì)量，從而保證計算精度［4］。

2.3 材料屬性

模擬時各構(gòu)件都采用線彈性材料模型，各部件的材料屬性如表1所示。

表1 各部件材料屬性列表

2.4 模型簡化方案

垂直臂與滑塊之間的滑動副通過施加面－面接觸單元來模擬，并且假定接觸面潤滑良好無摩擦力作用。由于滑塊材料相對垂直臂材料“較軟”將滑塊設為接觸面，將垂直臂設為目標面。

采用穿軸法即把位于軸中心線上的節(jié)點用梁單元連接來模擬軸相對于軸孔的轉(zhuǎn)動，避免直接計算軸和軸套接觸問題，即實現(xiàn)了轉(zhuǎn)動副的功能，又可顯著提高整體模型的計算效率［4］。

垂直臂與二回轉(zhuǎn)通過回轉(zhuǎn)支撐連接，兩者之間可以相對轉(zhuǎn)動。采用重疊圓柱法（即建立兩個空間重疊的圓柱體，兩個圓柱體只共用軸線上的節(jié)點）來實現(xiàn)模擬。

2.5 模擬工況

選擇需要分析的三種典型工況為：工況一，二回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)過0°即工作平臺與橋梁走向平行，伸縮臂未伸出；工況二，二回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)過60°，伸縮臂全伸；工況三，二回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)過90°即與橋梁走向垂直，伸縮臂全伸。三種典型工況的有限元模型如圖4所示。

圖4 三種典型工況有限元模型

3 約束及加載

本次有限元分析選取了伸縮臂、基本臂、二回轉(zhuǎn)、垂直臂、連接架等五部分為研究對象，而這五部分通過連接架上的四根銷軸與轉(zhuǎn)臺相連接。因此，約束連接架上四根銷軸，軸心節(jié)點UX、UY、UZ三個方向自由度。如圖5所示。

橋梁檢測車在工作狀態(tài)時，除了主要承受本身的重力、額定載荷作用以外，還有要受到?jīng)_擊載荷以及與工作環(huán)境相關的風載荷、溫度載荷等的影響。假定橋梁檢測車在理想條件下工作，忽略環(huán)境及沖擊載荷的影響?？紤]自重載荷的作用并且在基本臂和伸縮臂上施加800kg的均布載荷。加載方式如圖6所示。

圖5 模型約束方式示意圖

圖6 模型加載示意圖

4 計算結(jié)果

對有限元模型約束加載后，用ANSYS求解器進行計算，通過通用后處理器可以得到某桁架式橋梁檢測車垂直臂的強度和變形計算結(jié)果。因為垂直臂材料為型鋼Q460，其屈服極限σb＝460MPa，強度安全系數(shù)取2.75，則臂體材料許用應力［σb］＝167MPa。計算結(jié)果如下所示：

（1）當主管與弦桿厚度均為4mm，檔距為800mm時，三種工況下的應力如圖7所示，變形量如圖8所示。

圖7 檔距為800mm三種典型工況下的應力云圖

圖8 檔距為800mm三種典型工況下的位移云圖

三種工況下的最大應力值以及變形量如表2所示。

表2 各工況下的最大應力及變形量

通過對三種典型工況的應力分析，可以看出在工況二時，垂直臂上的應力取到最大值，在此工況下垂直臂與滑塊接觸處有較大區(qū)域的應力超過材料的屈服極限，顯然不能滿足正常工作條件。對此，必須對垂直臂的結(jié)構(gòu)做出相應的改變，使其能夠滿足強度及剛度條件。

（2）將主管厚度變?yōu)?.6mm，弦桿厚度為4mm，檔距為800mm，應力如圖9所示，變形量如圖10所示。僅給出工況二下的結(jié)果。

圖9 主管臂厚為5.6mm工況二應力云圖

圖10 主管臂厚為5.6mm工況二位移云圖

將主管臂厚改為5.6mm之后最大應力為460MPa，最大變形量為86mm。應力值減了17.9%，剛度提高了16.2%，垂直臂的質(zhì)量增加了6.6%變?yōu)?354.5kg。

（3）當主管弦桿厚度為4mm，檔距分別為700mm、600mm的情況下進行分析，應力如圖11所示，變形量如圖12所示。僅給出工況二下的結(jié)果。

圖11 不同檔距下的應力云圖

圖12 不同檔距下的位移云圖

不同檔距檔距下的最大應力值以及變形量如表3所示。

表3 不同檔距下的最大應力及變形量

通過對計算結(jié)果的分析可以看出，和檔距為800mm的原始設計相比，當檔距為600mm時，應力減小了41%，剛度提高了24.5%，質(zhì)量增加了5.2%；當檔距為700mm時，應力減小了30%，剛度提高了18.1%，質(zhì)量增加了1.9%。綜合以上分析結(jié)果，選擇檔距為700mm方案作為最終設計方案。

5 結(jié)論

（1）利用ANSYS中APDL語言建立了垂直臂參數(shù)化有限元模型，并且選取伸縮臂、基本臂、二回轉(zhuǎn)、垂直臂、連接架為整體進行分析，保證了垂直臂的模擬模型與真實工作條件相符合。

（2）采用面面接觸來模擬垂直臂與滑塊間的滑動副，準確計算了垂直臂和滑塊的應力和變形狀況。

（3）工況二時即伸縮臂全伸、二回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)過60°時垂直臂應力和變形都最大，此工況為最危險工況。

（4）方管厚度一定的條件下減小檔距可以使垂直臂的強度、剛度得到顯著提高。減小檔距比增加主管厚度更有利于垂直臂機械性能的提高。

［1］龔棟梁.國內(nèi)外橋梁檢測車發(fā)展概述.商用汽車［J］.2009，（6）：100－102.

［2］和麗梅.桁架式橋梁檢測車結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設計［D］.西安：長安大學，2008.

［3］程亮.橋梁檢測車上車結(jié)構(gòu)有限元分析與優(yōu)化［D］.吉林：吉林大學，2011.

［4］陳志偉，溫玉霜，劉慶娟，等.車廂可卸式垃圾車拉臂鉤工作裝置的高效整體結(jié)構(gòu)分析［J］.2013，28（4）：66－70.