登機(jī)橋的結(jié)構(gòu)離散設(shè)計(jì)與可靠性分析

黃健明

摘要：登機(jī)橋作為飛機(jī)外部結(jié)構(gòu)的重要組成部分之一，是連接飛機(jī)與候機(jī)樓固定廊橋的一種擺渡設(shè)備，因其影響旅客安全而顯得十分重要，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)登機(jī)橋的研究主要是通道結(jié)構(gòu)力學(xué)性能等研究，很少有學(xué)者對(duì)其結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行研究，本文將結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際工況，提出一種登機(jī)橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并利用ANSYS對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，改進(jìn)結(jié)構(gòu)存在的不足，確保登機(jī)橋設(shè)計(jì)的可靠性與合理性。

關(guān)鍵詞：登機(jī)橋;機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì);可靠性分析;理論支持

1.??? 引言

人們的物質(zhì)生活水平得到極大提升，飛機(jī)也逐漸成為很多人出行的首選，對(duì)飛機(jī)出行服務(wù)提出更高的要求。候機(jī)廳與飛機(jī)之間的可移動(dòng)升降通道稱(chēng)之為登機(jī)橋，登機(jī)橋的兩端分別為候機(jī)樓的某個(gè)登機(jī)口與飛機(jī)艙門(mén)，游客從登機(jī)口進(jìn)入到飛機(jī)。登機(jī)橋作為機(jī)電設(shè)備，基本機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備類(lèi)似，是由主體結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等組成的，很多系統(tǒng)與技術(shù)并沒(méi)有太大的改進(jìn)，同時(shí)由于登機(jī)橋的使用十分頻繁，在長(zhǎng)期的使用下出現(xiàn)了很多問(wèn)題，比如安全問(wèn)題等，因此設(shè)計(jì)一種新型登機(jī)橋設(shè)備顯得十分有必要，然后以ANSYS軟件對(duì)登機(jī)橋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，校核結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度并在此基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)作相應(yīng)的改善，使其滿足設(shè)計(jì)要求。

2.??? 登機(jī)橋結(jié)構(gòu)組成

登機(jī)橋是指旋轉(zhuǎn)伸縮式活動(dòng)橋，登機(jī)橋的主要組成部分為電氣系統(tǒng)與機(jī)械結(jié)構(gòu)，在實(shí)際使用期間，需要較大的活動(dòng)范圍，且要靈活的教學(xué)布置，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，能針對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行合理布置。其結(jié)構(gòu)主要有9 部分組成，分別如下：

（1）?? 旋轉(zhuǎn)平臺(tái)：登機(jī)橋與航站樓或固定橋的連接部分，是建立在機(jī)坪基礎(chǔ)的，由立柱進(jìn)行支撐，也是支撐登機(jī)橋水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中心、升降運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵部位。

（2）?? 接機(jī)平臺(tái)：該平臺(tái)是接機(jī)口旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的中心，員工在使用時(shí)，可以針對(duì)客戶(hù)的需求，選安裝裝服務(wù)門(mén)和服務(wù)梯供，也可以將其作為經(jīng)濟(jì)疏散的出口，工作人員在開(kāi)展維修工作時(shí)，接機(jī)平臺(tái)能提供便利;

（3）?? 接機(jī)口：登機(jī)橋的前端與飛機(jī)艙門(mén)相接部分，通常裝有控制臺(tái);（4）行走機(jī)構(gòu)：該機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)登機(jī)橋的選擇與伸縮;

（5）?? 活動(dòng)通道A、B：航站樓與飛機(jī)之間的主體，升降運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)是基于降機(jī)構(gòu)以及其自身與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)鉸接完成的，伸縮運(yùn)動(dòng)與水平旋轉(zhuǎn)是通過(guò)行走機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的;

（6）?? 升降機(jī)構(gòu)：登機(jī)橋?qū)崿F(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu);

（7）?? 維修通道：維修通道也叫做服務(wù)梯，登機(jī)橋與機(jī)坪有階梯通道，移動(dòng)與登機(jī)橋同步。

（8）?? 立柱：底部固定在機(jī)坪基礎(chǔ)上，頂部與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)連接;（9）其他輔助部分：電纜、控制以及照明設(shè)備等等。

3.??? 登機(jī)橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與可靠性分析

3.1? 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求

登機(jī)橋結(jié)構(gòu)在這些年，人們對(duì)其提出更高的要求，安全性與可靠性是基本要求之一，同時(shí)也要保證滿足服務(wù)需求，確保符合當(dāng)下的“綠色”運(yùn)行，降低運(yùn)行期間造成的能源消耗，并且加強(qiáng)綠色材料的使用。最后也要對(duì)其美觀性與功能性進(jìn)行考慮，使其與現(xiàn)代化的候機(jī)樓成為城市一大風(fēng)景線，考慮我國(guó)實(shí)際工況，設(shè)計(jì)安全可靠、環(huán)保節(jié)能的新一代登機(jī)橋，結(jié)構(gòu)方面通過(guò)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化以及降低運(yùn)行阻力來(lái)降低運(yùn)營(yíng)消耗，減少維修費(fèi)用，并采用新材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)降低登機(jī)橋鋼材使用量和成本。

3.2? 登機(jī)橋部分結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.2.1????? 旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)是由立柱、固定架、旋轉(zhuǎn)支架等構(gòu)成，作為登機(jī)橋整體運(yùn)動(dòng)支承點(diǎn)和旋轉(zhuǎn)中心，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)是是連接固定通道和活動(dòng)通道的設(shè)施，也可以對(duì)登機(jī)橋活動(dòng)端的載荷和震動(dòng)傳至固定端進(jìn)行有效規(guī)避。

優(yōu)化前：通過(guò)方管拼焊的方式確定旋轉(zhuǎn)平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)，在焊接期間，由于存在耗時(shí)較長(zhǎng)與焊縫不規(guī)則的問(wèn)題，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接，且方管的拼接需要符合設(shè)計(jì)要求;同時(shí)在實(shí)際制作過(guò)程中，對(duì)工藝的要求考慮較少，在裝配完之后，需要進(jìn)行二次打砂噴漆。

優(yōu)化后：鋼板箱形是轉(zhuǎn)架的主體結(jié)構(gòu)，壓滿足通道的安裝標(biāo)準(zhǔn);下降轉(zhuǎn)臺(tái)鉸耳中心的高度，確保轉(zhuǎn)臺(tái)地板的高度與通道地板的高度一樣;將凸緣增加到轉(zhuǎn)架圓筒上部封板孔圓周，避免有雨水流入;同時(shí)也要做好封堵工作，防止在打砂時(shí)鋼砂進(jìn)入。

3.2.2????? 行走裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

行走裝置是由上橫梁、回轉(zhuǎn)支承、驅(qū)動(dòng)輪架機(jī)構(gòu)及行走輪架旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量系統(tǒng)等組成，該部分是登機(jī)橋水平運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，變頻器無(wú)級(jí)調(diào)速下，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的運(yùn)行，輪架旋轉(zhuǎn)幅度較大，可左90°/右 90°旋轉(zhuǎn)，電氣限位裝置裝設(shè)在極限位置，保證在操作期間的安全性。

優(yōu)化前：原材料的選擇為球墨鑄鐵，但是在社會(huì)的快速發(fā)展過(guò)程中，走輪架的球墨鑄鐵材料不再滿足實(shí)際需求，需要較長(zhǎng)的生產(chǎn)周期;鑄鐵時(shí)具有較大的問(wèn)題，氣孔與夾渣等十分常見(jiàn)，需要對(duì)輪架進(jìn)行全檢，使用的方法為射線探傷，這樣會(huì)增加成本。

優(yōu)化后：登機(jī)橋的安全性是輪架關(guān)注的焦點(diǎn)，所以選擇Q345代替?zhèn)鹘y(tǒng)的QT400-18，保證焊接的整體性能，同時(shí)結(jié)構(gòu)件代替?zhèn)鹘y(tǒng)鑄件可以有效降低成本，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的綜合效益。

3.3? 有限元可靠性分析

3.3.1????? 登機(jī)橋模型簡(jiǎn)化

轉(zhuǎn)臺(tái)、活動(dòng)通道、行走與升降結(jié)構(gòu)、接機(jī)平臺(tái)是登機(jī)橋主體結(jié)構(gòu)的組成部分，活動(dòng)通道的內(nèi)部為A通道，外部為B通道，兩個(gè)部分之間可以實(shí)現(xiàn)相互伸縮，也可以通過(guò)鋼軌實(shí)現(xiàn)內(nèi)外通道的滑行。本文研究的是新型登機(jī)橋的結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時(shí)主要形式為主弦桿+ 直腹桿+交叉斜腹桿。由于轉(zhuǎn)臺(tái)、通道和升降架之間的相互關(guān)系，對(duì)模型的計(jì)算進(jìn)行簡(jiǎn)化，并且要簡(jiǎn)化頂面和地板面的波紋，簡(jiǎn)化為2 根交叉桿件，一般情況下，在計(jì)算時(shí)不考慮通道端部的波紋板，因?yàn)橥ǖ赖膭偠缺绒D(zhuǎn)臺(tái)的剛度低，能保證整橋圍繞回轉(zhuǎn)中心擺動(dòng)，所以鋼架結(jié)構(gòu)可以是轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化后的系統(tǒng)，回轉(zhuǎn)時(shí)圍繞回轉(zhuǎn)中心J-J進(jìn)行，接機(jī)平臺(tái)的重量以及由載荷偏心引起的附加外力折算成相應(yīng)的力加在模型的B通道上其本身不參加模型計(jì)算;將升降架簡(jiǎn)化為剛架結(jié)構(gòu)，在與通道B連接時(shí)，可以通過(guò)耦合關(guān)系模擬實(shí)現(xiàn)，只能繞X軸相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)是最終G點(diǎn)與升降架橫梁的耦合關(guān)系，在與地面進(jìn)行接觸時(shí)，升降架是在車(chē)輪的幫助下完成的，車(chē)輪有的作用遠(yuǎn)不止承受垂直支反力一個(gè)，還可以對(duì)單向的云動(dòng)力進(jìn)行承擔(dān);轉(zhuǎn)臺(tái)除了以繞回轉(zhuǎn)中心J-J軸回轉(zhuǎn)，還能進(jìn)行其他運(yùn)動(dòng)。

結(jié)構(gòu)的各節(jié)點(diǎn)之間截面剛度相差不能太大，為剛節(jié)點(diǎn)連接，用ANSYS中的梁?jiǎn)卧M;在與其它桿相連接時(shí)斜腹桿可以通過(guò)鉸鏈的方式實(shí)現(xiàn)，由于斜腹桿不存在遞彎矩，模型的建立可以在直接生成法的作用下完成，模擬時(shí)在ANSYS中的LINK8單元完成的，有限元模型一共有125個(gè)節(jié)點(diǎn)，426個(gè)單元，單元類(lèi)型為2 種，常數(shù)的設(shè)置以桿件尺寸為主，類(lèi)型為10種。

滑塊是通道A、B接觸的主要設(shè)備，內(nèi)外通道的接觸情況是在計(jì)算模型中，通過(guò)節(jié)點(diǎn)自由度耦合的方式實(shí)現(xiàn)模擬，A、B兩通道各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的位移是耦合確定的前提，題目的距離會(huì)在兩者唯一的情況下增加，這時(shí)滑道會(huì)與滑塊松開(kāi)，且在這兩點(diǎn)上兩通道存在自由度不耦合。

3.3.2????? 加載和約束方式

1）? 計(jì)算工況工況1（全伸狀態(tài)）自重+ 雪載+ 風(fēng)載（工作）+接機(jī)口90°+復(fù)合運(yùn)動(dòng)順風(fēng)剎車(chē)時(shí)的慣性力;工況2（全伸狀態(tài)）自重+ 風(fēng)載（工作）+接機(jī)口90°+登機(jī)橋地板面載荷（人載）;工況3（全縮狀態(tài)）自重+ 雪載+ 風(fēng)載（錨泊）+接機(jī)口90°。

2）? 在弦桿的各節(jié)點(diǎn)上承載載荷施加處理外部作用力，在整個(gè)結(jié)構(gòu)上，可以通過(guò)慣性載荷下的慣性加速度產(chǎn)生作用力;通過(guò)計(jì)算接機(jī)平臺(tái)上的載荷可以轉(zhuǎn)化，且能作用在通道B末端的4 個(gè)節(jié)點(diǎn)上，施加自重載荷時(shí)可以在慣性力完成。

3）在對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)軸線上的2 個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行約束處理時(shí)，在Y軸方向上的沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)約束外，剩下的全都為被約束，在升降架下端的位移約束有2 個(gè)，車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向則是另一個(gè)位移自由度，不予約束。

3.4? 計(jì)算結(jié)果分析

3.4.1????? 應(yīng)力結(jié)果

3種工況下結(jié)構(gòu)各桿件的最大綜合應(yīng)力（Von Mises應(yīng)力）是在ANSYS計(jì)算下得到的，具體為表1 所示：

3.4.2????? 位移結(jié)果

通過(guò)分析可以對(duì)三向位移的大小進(jìn)行確定，其中最大的為側(cè)向位移，其次為沿登機(jī)橋軸向位，最小的為，垂直方向。B最右端上點(diǎn)的結(jié)構(gòu)位移最大，且為水平位移，得到的數(shù)值為74.334mm，Y向最大位移與X向最大位移分別為25.861mm與8.532mm。

3.5? 結(jié)果分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

通過(guò)以上計(jì)算，可知工況2 為最不利的情況，材料為Q235，許用應(yīng)力為170Mpa，而結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為193.815Mpa，不符合強(qiáng)度要求。

結(jié)構(gòu)全長(zhǎng)L為30.648m，Z向與Y向的許用位移為分別為[f]=L/350=30648/350=84mm與[f]=L/1000=30648/1000=30.648mm，可以通過(guò)分析得到，無(wú)論是垂直還是水平位置的位移均在許用范圍內(nèi)，這就說(shuō)明結(jié)構(gòu)的靜剛度符合要求，但是結(jié)構(gòu)未能滿足要求，依然需要改善。最好的方法是將登機(jī)橋的斜腹桿尺寸進(jìn)行改進(jìn)，一般將直徑改進(jìn)為30mm，在驗(yàn)算后，可以確定改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力達(dá)到26.956Mpa，符合要求。也可以對(duì)斜腹桿進(jìn)行改進(jìn)，選擇與直徑30的圓鋼截面積類(lèi)似的方鋼管，以焊接的方式代替原來(lái)的方式，方鋼管的尺寸為60mm*40mm*4mm，最后應(yīng)力為138.589Mpa。通過(guò)上面的兩種方式，可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自重的增加量較小，最大應(yīng)力減少較多，兩個(gè)值分別為3.15%與35%，符合強(qiáng)度的相關(guān)要求，且結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中更加的安全可靠。

4???? .結(jié)論

（1）???? 在建模過(guò)程中，把結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為空間桁架類(lèi)結(jié)構(gòu)，采用直接生成法建模，節(jié)省時(shí)間。

（2）???? 節(jié)點(diǎn)耦合可以對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的滑塊或滾輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行反映，耦合點(diǎn)的耦合方向可以在加附加桿的方式確定，既簡(jiǎn)單又方便。

（3）???? 對(duì)于復(fù)雜力，進(jìn)行等效施加，提高分析效率。

（4）???? 基于有限元分析登機(jī)橋結(jié)構(gòu)，對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行了改進(jìn)，能滿足相關(guān)的要求，且更加的安全與可靠。

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