基于ABAQUS的模板臺車承載結(jié)構(gòu)強度分析

樓 飛，關(guān) 靜

（南京師范大學中北學院，江蘇南京 210046）

0 引 言

用于隧道壁面混泥土澆筑的模板臺車是隧道施工過程中的重要工程機械設(shè)備。模板臺車的基礎(chǔ)底架和車輛行走平臺是承載的關(guān)鍵部件，在整個隧道施工過程中，發(fā)揮著重要作用。其中，基礎(chǔ)底架主要承載了模板臺車的整體重量，車輛行走支架主要承載水泥攪拌車的滿載載荷。在這類重載工況下，設(shè)備的安全顯得尤為重要，針對初步設(shè)計的模板臺車承載結(jié)構(gòu)進行強度分析，確定結(jié)構(gòu)極限應力的位置和數(shù)值，以便有針對性的提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和措施，對提高設(shè)備可靠性有著重要意義[1～4]。

由于模板臺車承載結(jié)構(gòu)并不是簡單由型鋼焊接得到的梁結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有較多的加強筋板結(jié)構(gòu)，對提高結(jié)構(gòu)承載能力起到至關(guān)重要的作用。因此，較難運用理論公式來推導基礎(chǔ)底架和車輛行走平臺的內(nèi)部受力情況。本文作者應用ABAQUS有限元分析軟件，針對模板臺車承載結(jié)構(gòu)在滿載情況下的強度進行分析，求解最大應力的分布情況，為承載結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化提供參考[5～6]。

1 承載結(jié)構(gòu)前處理

1.1 建立簡化特征的三維模型

模板臺車的承載結(jié)構(gòu)主要是由工字鋼、槽鋼以及筋板焊接得到。為了提高網(wǎng)格質(zhì)量和分析求解效率，需要對模型中不需要的特征進行簡化，主要包括小孔、耳板、安裝吊鉤等。簡化之后的基礎(chǔ)底架、車輛行走平臺及其裝配得到的模型如圖1、2所示。

圖1 簡化特征的組件三維模型

結(jié)合上圖，對該承載結(jié)構(gòu)的工作原理簡述如下：基礎(chǔ)底架通過行走輪（圖中已簡化）支撐在鋼軌上，車輛行走平臺通過支撐油缸和基礎(chǔ)底架固連；當基礎(chǔ)底架需要運動時，車輛行走平臺處于空載狀態(tài)，支撐油缸抬起車輛行走平臺，底橫梁離開地面；當基礎(chǔ)底架運行到指定位置時，基礎(chǔ)底架底螺桿放下進行鎖緊，防止平臺移動，支撐油缸放下車輛行走平臺，底橫梁將與地面接觸，水泥攪拌車會駛上車輛行走平臺以實現(xiàn)混凝土澆筑。

圖2 簡化特征的裝配體三維模型

1.2 建立承載結(jié)構(gòu)的有限元模型

由于該結(jié)構(gòu)多采用型鋼焊接而成，中間有較多的加強筋板結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)復雜，相互連接關(guān)系較多，需要利用HyperMesh[7]前處理軟件進行手動六面體網(wǎng)格劃分，以確保分析求解精度。建立承載結(jié)構(gòu)的限元模型如圖3所示。

圖3 承載結(jié)構(gòu)有限元模型

由于承載結(jié)構(gòu)各個零件之間多通過焊接的形式進行連接，網(wǎng)格劃分時，需要重點確保連接部位網(wǎng)格節(jié)點的連續(xù)性。如圖3（d）所示，為模擬水泥攪拌車的自重對承載結(jié)構(gòu)的影響，本文作者按照12輪水泥攪拌車底盤結(jié)構(gòu)建立了12.00R20 20PR全鋼載重子午線輪胎承載時的分布模型。

2 承載結(jié)構(gòu)靜載分析

2.1 靜載工況

承載結(jié)構(gòu)靜載分析是指模板臺車在停止狀態(tài)下，滿載時的受力情況。現(xiàn)結(jié)合圖2、3說明如下：

（1）停止狀態(tài)下，基礎(chǔ)底架底螺桿放下進行鎖緊，防止平臺移動，支撐油缸放下車輛行走平臺，底橫梁將與地面接觸；

（2）臺車載荷200 t作用于基礎(chǔ)底架主梁上，主梁下端通過4組行走輪和底螺共同支撐；

（3）車輛載荷通過車輪作用于車輛行走平臺，通過底部橫梁和支撐油缸共同支撐。

2.2 靜載分析和結(jié)構(gòu)改進

將前處理后的有限元模型導入ABAQUS求解，得到靜載工況下的應力分布情況（圖4）。可以發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)底架的最大應力出現(xiàn)在行走輪支撐處，存在應力集中現(xiàn)象，最大值為390.5 MPa，已經(jīng)超出材料（Q235）的屈服極限235 MPa，車輛行走平臺最大應力出現(xiàn)在底橫梁，最大值為204 MPa，未超出材料（Q235）的屈服極限235 MPa。

圖4 靜載應力分布云圖

針對基礎(chǔ)底架強度不足的問題，需要對基礎(chǔ)底架結(jié)構(gòu)進行改進。觀察發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)底架所承受載荷主要由兩側(cè)的主梁承擔，主梁類似于簡支梁，為提高強度，考慮在主梁的中間增加行走輪進行支撐。改進后的基礎(chǔ)底架將由6組行走輪進行支撐，如圖5所示，是利用ABAQUS求解結(jié)構(gòu)改進后的基礎(chǔ)底架的應力分布云圖。改進后的最大應力減小為118.2 MPa，遠小于材料的屈服極限。

圖5 改進后基礎(chǔ)底架應力分布云圖

3 承載結(jié)構(gòu)動載分析

3.1 動載工況

承載結(jié)構(gòu)動載分析是指模板臺車在啟動狀態(tài)下，滿載時的受力情況?，F(xiàn)結(jié)合圖2、3說明如下：

（1）啟動狀態(tài)下，基礎(chǔ)底架底螺桿收起，支撐油缸升起車輛行走平臺；

（2）臺車加速度即基礎(chǔ)底架的加速度為

（3）相比于靜載工況，基礎(chǔ)底架除了承受臺車整體200 t載荷之外，還要承受車輛行走平臺的自重6 t。

圖6 動載工況有限元分析

3.2 動載分析

動載工況對結(jié)構(gòu)強度的要求要高于靜載工況，因此，這里直接對改進后的基礎(chǔ)底架結(jié)構(gòu)進行有限元分析，如圖6（a）所示，得到動載工況下的應力分布情況，最大應力出現(xiàn)在編號為175 702的單元。在整個加速過程中，該單元各個節(jié)點的應力值變化如圖6（b）所示，最大應力為226 MPa，小于材料的屈服強度，同時，隨著載荷加在過程，最大應力穩(wěn)定在150MPa左右，遠小于材料屈服強度，該結(jié)構(gòu)強度能夠符合使用要求。

4 結(jié)論

通過對模板臺車承載結(jié)構(gòu)進行有限元建模，分別采用C3D8單元和C3D20單元對其在靜載工況和動載工況進行強度分析，得到應力分布云圖，通過增加行走輪支撐的方式，改進原先結(jié)構(gòu)強度不足的缺陷，明顯提升模板臺車承載結(jié)構(gòu)的強度，為模板臺車整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化提供一定的參考依據(jù)。