（机械设计及理论专业论文）铁路架桥机钢结构的有限元分析.pdf

摘要 摘要 随着我国铁路基础建设特别是高速铁路及客运专线建设的快速发展，大量 采用新技术、新工艺，以提高铁路施工的整体水平，铁路整孔箱梁应用而生， 解决大吨位箱梁的架设和运输就成为急需解决的问题。架桥设备需要根据桥梁 结构的要求及施工的需要进行设计制造，由于京沪高速铁路预制箱梁尺寸及架 设吨位的增大，以往国内的架桥设备已不能满足京沪高速铁路工程建设的需要， 因此迫切需要结合京沪高速铁路工程特点，研制出适用于该工程的高吨位架桥 机。本论文所研究的1 u 9 0 0 型架桥机即为满足上述要求的高吨位箱梁架桥机。 架桥机是在复杂工况下工作的一种大型起重专用设备，由于架设的梁体重 量较大，架设过程中所面临的工作环境和受力情况较为复杂，受多种因素影响， 传统的结构设计只能以简化方式对架桥机结构从总体上做粗略的分析。在计算 复杂结构部分的应力时，很难给出满意结果。本文采用有限元分析法，对架桥 机在工作过程中出现的各种情况进行理论分析和数值模拟。 由于架桥机主体结构由不同厚度的钢板组成，本文选取s h e l l 6 3 单元建立架 桥机的有限元模型，运用有限元分析软件a n s y s 对架桥机的危险工况进行静力 分析，对后支腿圆弧拐角处产生的局部应力做出详细讨论，并对温度载荷及地 震激励对架桥机产生的影响进行有限元分析，其分析结果可以为校核结构承载 的安全性及合理用材提供有价值的参考，为其改进设计和结构优化提供理论依 据。 。 关键词：架桥机，有限元分析法，a n s y s ，温度载荷，地震激励 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec a p i t a lc o n s t r u c t i o no fr a i l w a ye s p e c i a l l yt h e h i g h - s p e e dr a i l w a ya n dp a s s e n g e rt r a f f i cs p e c i a ll i n eo fo u rc o u n t r yc o n s t r u c t i o n , w e a d o p tt h en e wt e c h n o l o g ya n dn e wc r a f t , i no r d e rt oi m p r o v et h ei n t e g r a ll e v e lo f c o n s t r u c t i n go ft h er a i l w a y t h ew h o l eh o l ec a s er o o fb e a mo ft h er a i l w a ya r i s e sa tt h e h i s t o r i cm o m e n t i tb e c o m e st h ep r o b l e mi nn e e do fs o l u t i o nt h a th o wt oe r e c ta n d t r a n s p o r tt h el a r g et o n n a g ec a s er o o fb e a m b r i d g ee q u i p m e n ti sd e s i g n e da c c o r d i n g t ot h ed e m a n do ft h es t r u c t u r eo ft h eb r i d g e b e c a u s et h es i z ea n dt o n n a g eo ft h e p r e f a b r i c a t e dr o o fb e a mi nt h eb e i j i n g - s h a n g h a ih i g h - s p e e dr a i l w a yi si n c r e a s i n g i n t h ep a s t , t h ee q u i p m e n to fb r i d g i n gi no u rc o u n t r yc a n ta l r e a d ym e e tt h ee n g i n e e r i n g c o n s t r u c t i o nn e e d so fb e i j i n g - s h a n g h a ih i g h s p e e dr a i l w a y s ow en e e dt oc o m b i n e t h ep r o j e c tc h a r a c t e r i s t i co fb e i j i n g - s h a n g h a ih i g h - s p e e dr a i l w a yu r g e n t l yt od e v e l o p t h eh i g ht o n n a g e b r i d g ee r e c t o rs u i t a b l ef o rt h ep r o j e c t t h et l j - 9 0 0b r i d g ee r e c t o r s t u d i e di nt h i sp a p e ri st h el a r g et o n n a g ec a s er o o fb e a mb r i d g ee r e c t o rw h i c hm e e t s a b o v e - m e n t i o n e dn e e d s t h eb r i d g ee r e c t o ri sak i n do fl a r g es p e c i a lc r a n i n ge q u i p m e n t t h ew e i g h to f t h ee r e c t e dg i r d e ri s l a r g e r ，h o w e v e r , t h ew o r ke n v i r o n m e n t s a n dt h ef o r c e d c i r c u m s t a n c e si nt h ee r e c t e dp r o c e s sa r em o r ec o m p l e x ，w h i c ha r ee f f e c t e db yv a r i o u s k i n d so ff a c t o r s t h ec o n v e n t i o n a ls t r u c t u r ed e s i g no n l yc u r s o r i l ya n a l y z e dt h eb r i d g e e r e c t o rs t r u c t u r ei nt h ew h o l ei nas i m p l e rf o r m i ti sd i f f i c u l tt od r a was a t i s f i e d c o n c l u s i o nw h e nt h es t r e s so ft h ec o m p l e xs t r u c t u r ei sc a l c u l a t e d t h ew o r kc i t e so f t h eb r i d g ee r e c t o ra r et h e o r e t i c a l l ya n a l y z e da n dn u m e r i c a l l ys i m u l a t e db yf i i l n c e l e m e n tm e t h o d s e e i n gt h em a i ns t r u c t u r eo ft h eb r i d g ee r e c t o ri sm a d eo fd i f f e r e n tt l l i c ka r m o r p l a t e ，i nt h i sp a p e re l e m e n ts h e l l 6 3i ss e l e c t e dt os e tu pt h ef i n i t ee l e m e n tm o d a lo f t h eb r i d g ee r e c t o lt a k i n ga d v a n t a g eo ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fa n s y s ，t h e s t a t i cc a s e so ft h eb r i d g ee r e c t o ra ts t a k ea r ea n a l y z e d ，t h el o c a ls t r e s so ft h et u r n i n ga t t h eb r i d g i n gm a c h i n er e a rl e gi s a m p l yd i s c u s s e d m o r e o v e r , t h eb r i d g ee r e c t o r s a b s t r a c t r e s p o n s e sa r ea n a l y z e di ne n d u r i n gt e m p e r a t u r el o a da n dt h ee a r t h q u a k ep o w e r t h e r e s u l t sm a yb ew o r t hi nu s e f u l n e s so ri m p o r t a n c et ov e r i f yt h es t r u c t u r es e c u r i t ya n d u s er a t i o n a l l ym a t e r i a l ，i tm a ya l s op r o v i d et h e o r e t i c a lt h e r e u n d e ri na m e l i o r a t i n g d e v i s ea n do p t i m i z i n gs t r u c t u r e k e yw o r d s ：t h eb r i d g ee r e c t o r , t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a n s y s ，t e m p e r a t u r el o a d ， e a r t h q u a k ep o w e r 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得石家庄铁道学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：丞塑导师签名：奎41 鱼差日期：丝z 芝孽 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 高速铁路已成为世界铁路发展的大趋势，在某种意义上体现了一个国家的 技术水平和经济实力，我国也就高速铁路的建设进行了多年的论证。纵观我国 几十年来铁路桥梁的发展历程，桥梁设计的革新与架梁设备的发展始终是相佯 而行的。桥梁发展对架梁设备提出的要求是促进架梁设备发展的动力。而架梁 能力的提高又促迸了桥梁设计与制造的革新。正是如此，铁路架桥杌在铁路建 设中频繁地使用，并发挥着越来越大的作用。 1 1 1 我国铁路近期发展的展望 我国高速铁路建设已酝酿多年，铁道部就其模式、暂规进行了一系列的研 讨、规划和设计秦沈客运专线的建设，标志着我国铁路建设迈入一个新的里 程碑，拉开了我国高速铁路建设的序幕，取得了有益的经验。据悉，2 0 0 4 年， 我国铁路共完成基本建设投资5 1 6 亿元。备受国内外关注的京沪高速铁路，将 在近期正式开工建设，预计2 0 0 8 年奥运会举行之前建成通车。届时，上海至北 京最多只需要5h ，比现在快了一倍多。整个京沪高速铁路客运专线达11 0 0 多 公里，其中6 0 是桥梁建设，桥梁跨度有3 2 m 、2 4 m 、2 0 m 等几种，相应3 2 m 跨度箱梁的重量达9 0 0t 。由于京沪高速铁路预制箱梁尺寸及架设吨位的增大， 以往国内的架桥设备己不能满足京沪高速铁路工程建设的需要，因此为了适应 高速铁路建设的发展，研发大吨位箱形粱架桥机是解决高速铁路箱梁架设的前 提【l , 2 1 。 1 1 2 架桥机发展状况及存在的挑战硼 架桥机是一种将预制钢筋混凝土( 或预应力混凝土) 梁片( 或梁段) ，吊 装在桥梁支座( 桥墩) 上的专用施工机械。在我国目前的桥梁施工方法中，主 要采用将工厂预制的桥梁构件，通过专用设备在桥墩上进行架设安装，这也是 现代桥梁麓工方法的发展趋势。架桥机虽说形式各异，根据预制钢筋混凝土梁 1 第一章绪论 片( 或梁段) 不同分为全跨梁段，简支吊装和节段拼装预应力张紧两种；根据 桥面宽度不同可分为单梁和双梁两种；根据主导梁结构形式不同，可分为前导 梁，后导梁及双导梁等多种；根据运梁位置不同，又可分为上行式，下行式； 根据支腿数目不同，又分成三支腿，四支腿等；根据架桥前移时支腿运动方法 不同，又分成支腿连续运行式和步履式等。 目前国际上具有代表性的高速铁路架桥机有三种形式：步履式、导梁式和 运架一体式。这三种形式的架桥机各具特色，有各自的针对性和适应性。运架 一体式运架作业程序为顺序式，整机高度低，集运梁、架梁于一身，但导梁纵 移在吊梁工况下进行，需要较大的驱动力，同时增加了作业的不安全因素。步 履式、导梁式运梁、架梁为平行作业。导梁式架桥机架设一座桥首孔梁和末孔 梁需要安装、拆卸导梁，工地桥问施工转移时也需拆除导梁，辅助作业时间较 长，施工不便利。而步履式架桥机过跨作业简便，可以方便地架设一座桥的首 孔梁和末孔梁，对墩台无特殊要求，不仅适合架设箱梁集中的长大桥，也适合 桥群分散的中小桥及变跨桥的施工综上所述，步履式架桥机以其机动灵活性、 适应性强而更适应中国国情。 我国现有各种型式、各种吨位的铁路架桥机5 0 余台，可分为t 梁和箱梁架 桥机两大类。在秦沈客运专线上使用的八台箱梁运架设备中，单线箱梁和双线 箱梁架桥机各四台，最大起吊能力为6 0 0t ，从结构型式上可分为迈步式、下导 梁式、运架一体式及拼装式架桥机。然而国产架桥机的架设吨位大多都小于1 5 0 t ，架设跨度小于3 0m 。相对国外架桥机的架设水平来说，国产架桥机还比较落 后。5 0 7 0 年代的双悬臂架桥机最大吊重为8 0t ，其需要修建岔线喂梁后吊梁 走行；8 0 年代的单梁简支式架桥机最大吊重为1 3 0t ，其特点是架桥机可悬臂前 行，梁体架设时从机身内穿过落梁到墩项后，需在墩顶人工横移就位；1 9 0 年代 的简支双梁式架桥机最大吊重为1 6 0t ，与单梁简支式架桥机相比其解决了墩顶 梁体横移问题；后石家庄铁道学院成功研制了3 0 0t 拼装式架桥机，其运架方式 为轮轨式；为满足秦沈客运专线的需要又研制出了6 0 0t 的多种型式的架桥机， 是我国目前投入实际生产的起重量最大、功能最多、最先进的箱梁迈步架桥机， 经专家鉴定认为已经达到国际先进水平m 8 9 】。 架桥机的发展状况取决于桥梁的结构形式及其施工工艺的发展水平，其发 展趋势在具体性能要求的表现1 6 , 7 j ： ( 1 ) 具有双向架设功能。许多架梁工程中，由于施工组织安排或受地理条件 2 第一章绪论 与场地限制，要求架桥机从中间某处若干跨现浇好( 或吊装好) 的桥面上进行 组装后再进行架设，因此，架桥机必须能够在完成某个方向的架梁作业后，只 作简单的结构调整与换装便可自行反向纵移就位进行架梁作业。 ( 2 ) 能实现整机吊梁横移。采用整机吊梁横移或是利用架桥机自身的横移机 构实现“空中移梁”，将会逐步取代墩顶移梁方式。目前的架桥机基本上都能 做到这一点。 ( 3 ) 步履式自行纵移。架桥机自行纵移是指仅依靠架桥机自身的纵移机构， 而不是利用其他辅助机具来实现纵向移动就位。同样是自行纵移，但不同的支 撑方式却产生了不同的纵移方法，并导致不同的效果，这部分是国内架桥机主 要区别之所在。如北戴河通联桥机厂与郑州大方桥机厂的纵移方式就不一样。 拖拉纵移目前采用较多，特别用在导梁式架桥设备上，但辅助工序复杂，在较 大跨度桥梁施工中由于导梁悬臂挠度较大，纵移时前支腿上墩困难。采用的步 履式纵移方式可将其四个支腿作为架桥机的支撑机构，通过相互间的有序换步 来实现步履纵移。即可实现自行纵移l 号支腿与2 号支腿底部的枕梁既是整机 吊梁横移时的横移通道，又要作为承重分配梁，极大地改善了已架设梁片的受 力状况 ( 4 ) 能适应纵坡，横坡及曲线上的架梁要求。在适应曲线桥梁架设方面，单 导梁式架桥机比双导梁式架桥机更具有发展前途。但由于存在单向横坡，桥宽 两侧的水平高差相当大，有时达到2m 以上。在施工中，除了采取适当调整枕 木垫高方法之外，还需要架桥机自身能够实现支腿高度调整，以保证架桥机基 本处于水平状态。 ( 5 ) 自重轻，利用系数高。架桥机起重量与自重之比为利用系数，这是评价 架桥机综合性能的一个重要指标，一般认为应大于0 4 。选择先进、合理的结构 形式，十分重要，主导梁作为架桥机的主要钢结构，极为重要，其界面形式有 多种，如：三角形桁架、箱型截面、1 1 形截面等；其中采用空间三角桁架结构 形式较多，因为不仅自重轻，受力性能优良，侧向抗扭刚度大，而且外形美观， 倍受推崇，应用较为广泛。采用优化设计与结构有限元分析方法来减轻结构重 量，是提高利用系数的主要途径之一。 ( 6 ) 系统安全可靠。架桥机不同于一般的施工机械，属于特种设备，始终应 将安全放在首位。从国内近二十年来发生的架桥机历次重大事故中，我们可以 看到基本上不外乎整机在斜桥上溜车、横向倾覆、过孔时支腿失稳而导致整机 3 第一章绪论 倾覆等。 1 2 研究的目的及意义 随着高速铁路的发展，架桥设备需要根据桥梁结构的要求及施工需要进行 设计制造，设备全方位适应于桥梁结构需要。由于京沪高速铁路预制箱梁尺寸 及架设吨位的增大，以往国内的架桥设备已不能满足京沪高速铁路工程建设的 需要，因此迫切需要结合京沪高速铁路工程特点，研制出适用于京沪高速铁路 工程的多种型式的高吨位架桥机。本次课题所研究的t l j 9 0 0 型架桥机是专为即 将动工的京沪高速铁路的建设而设计的箱梁架桥机，其技术指标和架梁吨位的 能力以及工作性能在国内外都是比较先进的。 在对架桥机进行设计计算时，传统的结构设计大多是依据个人的经验和简 化计算作出初步的设计，再由此设计做出样机。由于要引入大量简化假设，在 计算复杂结构部分的应力时，很难给出满意结果。为安全起见，样机试制后， 要对其进行各种模拟工况下的测试分析，然后根据分析结果进行设计修改。这 种完全用试验来指导设计改进的方法有如下局限性： ( 1 ) 试验必须在有实物的情况下进行，厂家必须进行所有改进结构的试制； ( 2 ) 试验的周期长，费时费力； ( 3 ) 结构改进的目标不明确。 对于大吨位架桥机，其结构强度、刚度及施工过程中的稳定性必须有充分 保证。而架桥机是在复杂工况下工作的一种大型起重专用设备，由于架设的梁 体重量较大，架设过程中所面临的工作环境和受力情况较为复杂，受多种因素 的影响，用常规的方法只能以简化方式对架桥机结构从总体上作粗略的分析， 很难精确了解架桥机具体部位的受力状态，极易因为局部失稳而导致整个结构 的破坏，从而带来灾难性的后果。在这种情况下如果使用有限元分析法【1 0 , 1 2 ，则 可对架桥机在工作过程中出现的各种情况进行理论分析和数值模拟1 3 瑚j ，能够保 留问题的复杂性，从而可较准确、直观地得到架桥机各部分的应力、应变等参 数的分布情况。有限元分析结果可以为校核结构承载的安全性及合理用材提供 有价值的参考，并可为其改进设计和结构优化【1 1 l 提供理论依据。在设计阶段通 过大量的分析计算得到关于结构改进的可行方案，使设计、制造一次完成，进 而达到缩短设计周期、提高工作效率、节约成本的目的。 第一章 绪 论 1 3 论文主要研究内容 t i a 9 0 0 型架桥机在设计计算时，未考虑特殊载荷，如温度、地震【5 卜5 7 】对架 桥机结构的影响，仅仅是在静力分析的基础上使用较大的安全系数【4 7 】来保证结 构的安全可靠。针对上述情况，本文以有限元法【2 1 , 3 6 1 、结构动力学理论1 4 6 j 1 1 、振 动理论 5 8 , 6 1 1 、弹性力学为理论基础和分析手段，利用有限元分析软件a n s y s 强 大的结构分析、模态分析及谱分析功能对t i a 9 0 0 型架桥机结构进行了分析。主 要研究内容如下： ( 1 ) 对t l j 9 0 0 吨架桥机的各种工况进行分析，了解各工况下架桥机结构的 受载情况； ( 2 ) 以板单元的形式建立正确的有限元分析模型，并对其进行静力分析； ( 3 ) 对架桥机进行局部应力分析； ( 4 ) 确定各种危险工况下，不同温度载荷对架桥机结构的影响； ( 5 ) 在对架桥机进行模态分析的基础上，分析架桥机对地震激励的响应。 一5 第二章有限元法及其分析软件a n s y s 第二章有限元法及其分析软件a n s y s 2 1 有限元法概述 有限单元法的起源和基本思想可追溯到4 0 年代，1 9 4 3 年r c o u r a n t 从数学 角度提出了有限单元法的基本观点。“有限元法”这个名词，第一次出现在1 9 6 0 年，当时c l o u g h r w 在一篇平面弹性问题的论文中【加】应用过它。从此后，有限 元法在工程晃获得了广泛应用，到2 0 世纪7 0 年代后期，随着计算机和软件技 术的发展，有限元法也随之迅速的发展起来，成为求解各领域的数理方程的一 种通用的近似计算方法。许多国家的科技工作者在他们各自的研究领域中使用 了这种方法，有限单元法在我国工程上的应用，始于7 0 年代初，是从求解内燃 机零部件温度开始的l 硼。到目前为止，有限元法已被广泛应用于固体力学、流 体力学、热传导、电磁学、声学、生物力学等各个领域，能求解由杆、梁、板、 壳、块体等各类单元构成的弹性( 线性和非线性) 、弹塑性或塑性问题( 包括静力 和动力问题) ；能求解各类场分布问题( 流体场、温度场、电磁场等的稳态和瞬态 问题) ；还能求解水流管路、电路、润滑、噪声以及固体、流体、温度相互作用 的问题。其强大功能使其在工科院校和工业界受到普遍重视【2 1 t 。近4 0 年来，先 后应用于机械工程和汽车工程中各种结构件、转动件等的计算分析中，并取得 了许多实际效益可以毫不夸张地说，有限单元法已经成为计算机辅助设计( c a d ) 中的一部分，渗透到了每一台机械、每一辆汽车的设计计算中，是一种必不可 少的工具i 捌。 2 1 1 有限元法的概念 有限元法是求解数理方程的一种数值计算方法，是解决工程实际问题的一种 有力的数值计算工具。它可以求解复杂工程和产品的结构强度、刚度、屈曲稳 定性、动力响应、热传导、三维形体接触、弹性等力学性能的分析计算，以及 结构性能的优化设计等问题。有限元法最初被用来研究复杂的飞机结构中的应 力，它是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机地结合在一起的一种数值分 析技术。后来由于这种方法的灵活、快速和有效性，迅速发展成为求解各领域 6 第二章有限元法及其分析软件a n s y s 数理方程的一种通用的近似算法。目前，它在许多学科领域和实际工程问题中 得到广泛的应用，因此，在工科院校和工业界受到普遍的重视。 有限元法的基本思路是“化整为零，积零为整”。它的求解步骤是：将连续 的结构离散成有限多个单元，并在每个单元中设定有限多个节点，将连续体看 作是只在节点处相连接的一组单元的集合体：然后选定场函数的节点值作为基 本未知量，并在每一单元中假设一个近似的插值函数以表示单元中场函数的分 布规律：进而利用力学中的变分原理建立用以求解节点未知量的有限元法方程， 从而将一个连续域中的无限自由度问题化为离散域中的有限自由度问题。求解 结束后，利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的 函数。 单元可以设计成不同的几何形状以模拟和逼近复杂的求解域。显然，如果插 值函数满足一定要求，随着单元数目的增加，解的精度会不断提高而最终收敛 于问题的精确解，但是这却增加了计算机计算所耗费的时间。在实际工程应用 中，只要所得的数据能够满足工程需要就足够了。有限元分析方法的基本策略 就是在分析的精度和分析的时间上找到一个最佳平衡点。 ( 1 ) 单元。结构的网格划分中的每一个小的块体称为一个单元。常见的单元 类型有线段单元、三角形单元、四边形单元、四面体单元和六面体单元几种。 由于单元是组成有限元模型的基础，因此，单元的类型对于有限元分析是至关 重要的。 ( 2 ) 节点。确定单元形状的点就叫节点。例如线段单元只有两个节点，三角 形单元有3 个或者6 个节点，四边形单元最少有4 个节点等。 ( 3 ) 载荷。工程结构所受到的外在施加的力称为载荷，包括集中载荷和分布 载荷等。在不同的学科中，载荷的含义也不尽相同。在电磁场分析中，载荷是 指结构所受的电场和磁场作用；在温度场分析中，所受到的载荷则是指温度本 身。 ( 4 ) 边界条件。边界条件是指结构边界上所受到的外加约束。在有限元分析 中，边界条件的确定是非常重要的因素。错误的边界条件使程序无法正常运行， 施加正确的边界条件是获得正确的分析结果和较高的分析精度的重要条件。 有限元法具有下列的特色： ( 1 ) 整个系统离散为有限个元素。 ( 2 ) 利用势能最小原理( m i n i m u mp o t e n t i a lt h e o r y ) 与泛函数值定理 7 第二章有限元法及其分析软件a n s y s ( s t a t i o n a r yf u n d i n e o r y ) 转换成一组线性联立方程。 ( 3 ) 处理过程简明。 ( 4 ) 整个区域作离散处理，需庞大的资料输出空间与计算机内存，解题耗时。 ( 5 ) 线性、非线性均适用。 ( 6 ) 无限区域的问题仿真较难。 2 1 2 有限元法的应用 嘲 2 0 世纪7 0 年代以来，有限单元法进一步得到蓬勃的发展，其应用范围扩展 到所有工程领域，成为连续介质问题数值解法中最活跃的分支，由变分法有限 元扩展到加权残数法与能量平衡法有限元，由弹性力学平面问题扩展到空间问 题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定性问题、动力问题和波动问题，由 线性问题扩展到非线性问题，分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性和复 合材料等，由结构分析扩展到结构优化乃至于设计自动化，从固体力学扩展到 流体力学、传热学、电磁学等领域。有限单元法的工程应用如表2 - 1 所示。 数值模拟技术通过计算机程序在工程中得到广泛的应用。有限元程序发展也 很快，到2 0 世纪8 0 年代初期，国际上较大型的面向工程的有限元通用程序达 到几百种。有限元软件的前处理器，使用了先进的计算机视窗和图形技术以及 交互式操作方式等，用户界面友好，建模效率提高。有限元方程求解器，求解 工程问题的深度和广度，特别是非线性问题的求解能力有显著提高。有限元软 件的后处理器，使用户更容易地获得和处理数值计算结果，并可利用图形图像 功能进行深层次再加工。 有限元软件的应用软件产品可分三类： ( 1 ) 通用有限元分析软件。a n s y s 、n a s t r a n 、a b a q u s 、m a r c 、a d i n a 等属于这类软件。 ( 2 ) 专用有限元分析软件。a d a m s 、d a d s 、m s c f a t i g u e 等属于这类软 件。 ( 3 ) 嵌套在c a d c a e c a m 系统中的有限元分析模块。 8 第二章有限元法及其分析软件a n s y s ，9 第二章有限元法及其分析软件a n s y s 它们多采用f o r t r a n 语言编写，规模达几万条甚至几十万条语句，其功能 越来越完善，不仅包含多种条件下的有限元分析的程序，而且带有强大的前处 理和后处理程序。这样，不仅提高了解题速度，还极大地方便了使用者，对有 限元的普及与应用起到了很大的促进作用1 3 3 1 。本文就是使用了其中的a n s y s 软 件对架桥机结构进行了有限元分析和仿真。 2 2a n s y s 简介 a n s y s 有限元分析软件是a n s y s 有限元公司的主要产品，该公司由j o h n s w a n s o n 博士创建于1 9 7 0 年。该程序的主要特点是功能齐全，工程应用覆盖面 广【1 3 1 5 】。 a n s y s 是一种广泛的商业套装工程分析软件。所谓工程分析软件，主要是 在机械结构系统受到外力负载所出现的反应，例如应力、位移、温度等，根据 该反应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态，进而判断是否符合设计要 求。一般机械结构系统的几何结构相当复杂，受的负载也相当多，理论分析往 往无法进行。想要解答，必须先简化结构，采用数值模拟方法分析。由于计算 机行业的发展，相应的软件也应运而生，a n s y s 软件在工程上应用相当广泛， 在机械、电机、土木、电子及航空等领域的使用，都能达到某种程度的可信度， 颇获各界好评。使用该软件，能够降低设计成本，缩短设计时间吲。 2 2 1 a n s y s 的基本组成与功能 2 2 1 1 a n s y s 的基本组成 a n s y s 主要包括3 个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。 ( 1 ) 前处理模块：提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方 便地构造有限元模型。软件提供了1 0 0 种以上的单元类型，用来模拟工程中的 各种结构和材料。 ( 2 ) 分析计算模块：包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高度非 线性分析) 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析及多物理场的 耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。 ( 3 ) 后处理模块：包括两个部分，通用后处理模块和时间历程后处理模块。 通用后处理模块可以很容易获得求解过程的计算结果并对其进行显示。这 1 0 第二章有限元法及其分析软件a n s y s 些结果可能包括位移，温度、应力，应变、速度及热流等，输出形式可以有图 形显示和数据列表两种。这个模块对前面的分析结果能以图形形式显示和输出。 例如，计算结果( 如应力) 在模型上的变化情况可用等值线图表示，不同的等值线 颜色代表了不同的值( 如应力值) 。云图则用不同的颜色代表不同的数值区( 如应 力范围) ，清晰地反映了计算结果的区域分布情况。 时间后处理模块用于检查在一个时间段或子步历程中的结果，如节点位移、 应力或支反力。这些结果能通过绘制曲线或列表查看。绘制一个或多个变量随 频率或其他量变化的曲线，有助于形象化地表示分析结果。另外，它还可以进 行曲线代数运算。 2 2 1 2 n s y s 软件的功能 a n s y s 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软 件，可广泛的用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽 车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业 及科学研究。该软件提供了不断改进的功能清单，具体包括【5 j 【8 1 ； ( 1 ) 结构静力和动力分析。a n s y s 程序中的静力分析包括非线性，如塑性、 蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触面。动力学分析包括模态、瞬态动力、谐 波响应、响应谱及随机振动。 ( 2 ) 结构非线性分析。在静态和瞬态分折中，a n s y s 程序可考虑多种非线 性的影响，这些非线性影响可分为：材料、几何和单元非线性。 ( 3 ) 热分析。a n s y s 程序可以处理三种基本类型的热传递方式：传导、辐 射和对流。可分析的类型包括：稳态分析、瞬态分析、相变分析和热一结构耦 合。 “) 电场分析和压电分析。电场分析主要集中在电流密度、电场强度、电压 分布、电流通密度等。压电分析主要用力分析三维结构对a c 、d c 或任意随时 间变化的电或机械载荷的响应。 ( 5 ) 电磁场分析和耦合场分析。a n s y s 程序在这一方面主要分析高频或低 频电磁场不同方面的问题。另外，在设计受热、结构、流体、电、电磁场影响 的部件时，经常用a n s y s 来分析这些场的耦合影响。 ( 6 ) 流体流动分析。a n s y s 流体能力能进行计算流体力学分析。 第二章有限元法及其分析软件a n s y s 2 2 2a n s y s 结构分析过程“伽 在一个完整的工程分析中，我们应该有对工程进行有限元模拟的整套方案， 包括分析的目标、各种分析因素的考虑、分析领域选择、使用的有限元单元类 型选择、线性非线性的确定等，到最终使用的有限元分析工具。a n s y s 进行分 析和获得分析报告仅仅是其中的一个部分。 ( 1 ) 创建有限元模型。所有有限元分析都是从创建模型开始的。问题分析的 相关背景物理模型需要根据实际问题而定，这里主要介绍几何模型到有限元模 型的创建。 创建或读入几何模型。通过使用a n s y s 提供的基本元素，点、线、面、 体等，构建实际物体或需要分析部分的几何形状，这个形状既可以是完全三维 的，也可以是简化了的，例如用一个面代替一块薄壳，用一条线代替一根梁。 另外，a n s y s 提供了与其他c a d 软件传递数据的专用接口和一个i g e s 通 用接口，可以非常方便地从很多c a d 软件中直接读取相应的几何模型，避免设 计分析中建模的重复操作。 定义材料属性。对于分析的对象，在不同类型的分析中，需要给定材料 的属性，也就是给出材料的各种力学、电磁学等参数。对于一般静力学的分析， 最基本的各向同性材料参数包括杨氏模量、泊松比、材料密度等。通过d e f i n e m a t e r i a lm o d e lb e h a v i o r 材料模型属性设置对话框进行设置。 通过对话框中进行设置，可以建立各种线性、非线性的材料模型。选择需要 设置的材料类型后，双击鼠标按键，进一步设置材料的参数。在设置材料属性 的时候，不需要使用到的属性就不必设置了。对于各种特殊的材料，例如非线 性材料、各向异性材料等，a n s y s 也可以进行计算模拟，只是材料特性还需要 进行特别的设置。 划分单元。一个几何模型仅仅表示了需要分析的物体的几何尺寸、形状， 要通过划分成为单元以后，才能够进行有限元分析。划分单元的时候，需要选 择单元的形状、类型，同时根据分析精度的需要设定不同的单元的密度。 在完成基本有限元模型的创建后，就可以根据物理模型提供的简化或近似边 界条件对模型进行加载和求解了。 施加载荷。这里说的“载荷”是一个广义的载荷，包括了施加在物体上 的边界条件、初始条件等，例如加在模型上的各种载荷、固定支撑等，如果是 一1 2 第二章有限元法及其分析软件a n s y s 动力学分析，包括速度、加速度等，如果是热或流体分析，热源、冷源、层流、 湍流等都是施加到模型上的载荷，这些载荷应该能够最直接地反映出物体所处 的环境与物体当前的状态。 设置载荷及求解控制选项。a n s y s 计算中、允许载荷按照时间历程缓慢 递增地施加到模型上，也可以是阶跃式地施加，还可以通过设置载荷步来模拟 载荷加载的先后以及卸载等实际情况。另外，求解过程实际上是数值求解方程 的过程，a n s y s 提供了很多种求解的算法供选择，用户可以针对不同的问题进 行相应的选取。a n s y s 还提供了对求解过程的控制选项，例如用户可以设置危 险位置网格的自动加密，可以设置在大步长求解不收敛的时候，自动划分加载 步长，以及设置每步长收敛后输出结果文件等，这些设置的选项有利于对分析 结果进行有效的评价。 ( 2 ) 求解。有限元求解的过程就是解矩阵方程的过程，从输出窗口中可以查 看求解过程的信息，根据计算工程的大小，节点的多少，这个过程可能会很快， 也可能会是几天甚至几十天。如果求解顺利完成，将弹出一个黄色的i n f o r m a t i o n 对话框，显示求解完成。 ( 3 ) 查看结果。所有的有限元分析的最终目的都是要查看结果，并对结果进 行进一步的分析讨论、a n s y s 出色的后处理系统为此提供了方便。 查看分析结果。查看结果也称为后处理。a n s y s 的后处理功能是非常强 大的，它提供了多种查看结果的渠道，用户既可以通过颜色云图直观地显示结 果，也可以通过曲线来描述我们关心的数值变化，也可以直接将结果数据输出 到文本文件中。a n s y s 还提供了生成动画的后处理功能，用户可以通过动画来演 示和重现模型形成或者破坏的过程。 检验结果，分析结果是否正确。检验结果是否正确以及误差的估计在任 何有限元分析中无疑是最重要的。往往会因为建模或加载设置时一个小小的疏 漏，导致整个结果的不同甚至是得到错误结论。一般对结果的验证，需要在开 始分析之前就能够通过经验或者试验等对结果有粗略的估计，如果结果与预期 的不一样，应该仔细研究原因。 a n s y s 能够提供的仅仅是计算过程本身所产生的可能的误差，包括能量百 分比误差、单元应力偏差、单元能量误差、热流密度偏差等有限信息，更多时 候还要用户根据a n s y s 提供的信息和实际情况进行更准确的分析。 1 3 第三章架桥机金属结构载荷分析及静强度计算 第三章架桥机金属结构载荷分析及静强度计算 t l l 9 0 0 型架桥机是为即将开工的高速铁路开发的大吨位架梁设备，该设备 主要有钢结构、走行机构、电器控制、液压系统等四大部分，其中钢结构的合 理设计对架桥机的安全性、经济性起着关键的作用，如何在满足架桥机的强度、 刚度、稳定性的条件下，减轻钢结构的自重有着非常重要的意义。在对架桥机 进行强度、刚度及稳定性计算时，首要的问题就是要明确架桥机所受的载荷， 本章分析了t l l 9 0 0 吨架桥机的各种计算工况，参照起重机设计规范 g b 3 8 1 1 8 3 对各种工况下架桥机所承受计算载荷做出了详细的说明，并运用 a n s y s 分析软件建立了架桥机模型，对架桥机的各种危险工况进行了静力分 析。 3 1架桥机计算工况及载荷分析 3 1 1 架桥机的结构及工作过程 3 1 1 1 架桥机的结构 1 1 j 9 0 0 型架桥机为双梁结构，主金属结构包括主梁、主梁前横联、主梁后 横联、前支腿、后支腿、后支腿马鞍及前悬臂梁等几部分组成，结构形式见图 3 - 1 。其中前支腿与两主梁联接为销连接，其余联接皆为刚性连接，架桥机的四 个支座做成球形铰支座。 主梁 图3 1t l j 9 0 0 型架桥机结构 1 4 第三章 架桥机金属结构载荷分析及静强度计算 3 1 1 2 架桥机的工作过程 t i j 9 0 0 型架桥机在正常施工过程中主要有以下几种工作状态。 ( 1 ) 辅助支腿和前导梁小车将下导梁移至即将架设的桥梁的前一孔桥墩上； ( 2 ) 运梁平车驮运混凝土梁至后支腿附近，前小车将混凝土梁的前端吊起； ( 3 ) 前小车拖动混凝土梁运行至跨中( 混凝土梁的后端在运梁平车上运行) ； ( 4 ) 运行到跨中适当位置后，后小车吊起混凝土梁的后端； ( 5 ) 前后小车同步前行，将混凝土梁运至落梁位置； ( 6 ) 前支腿回缩，辅助支腿支撑在下导梁上，后支腿沿着已架设完毕的桥梁 上的轨道前行，使架桥机运行至下一孔梁的桥墩； ( 7 ) 前支腿伸长，支撑在桥墩上，辅助支腿和前小车将下导梁前移，如此循 环完成连续架设任务。 3 1 2 计算工况 分析t i j 9 0 0 架桥机的作业流程，金属结构要完成以下7 个工况的计算。 ( 1 ) 架桥机的纵向稳定性。前起重行车吊梁起升时，前起重行车位于后支 腿左侧4 m 处，此时前起重行车负载对架桥机产生很大的倾覆力矩，此时应以 后支腿处两支座的连线为倾覆边线，计算架桥机的整体稳定性，此时作用架桥 机上的载荷主要有金属结构自重、起重行车自重、电器设备自重、各机构的自 重、前起重行车的起升载荷( 考虑起升冲击) 及工作状态风载( 风向垂直于后 支腿平面) ，出于安全性考虑，各载荷应乘以一定的折算系数【3 2 1 ，但应注意，产 生倾覆力矩的载荷折算系数小于1 。 ( 2 ) 非工作状态架桥机的防风稳定性。此时应以前支腿处两支座的连线为 倾覆边线，计算架桥机的整体抗风稳定性，此时承受载荷包括金属结构自重、 起重行车自重、电器设备自重、各机构的自重及非工作状态风载，风载的方向 垂直于前、后支腿与主粱所组成的门架平面，计算方法及折算系数的选取同架 桥机的纵向稳定性计算。 ( 3 ) 主梁左侧悬臂强度、刚度验算。前起吊梁行车起吊梁前端时，主梁左 侧悬臂根部承受很大弯矩，应对这一截面进行强度计算，同时要验算左侧悬臂 的弹性下挠。 ( 4 ) 主梁跨中附近位置强度、刚度验算。前起重行车吊梁前行至跨中附近 一1 5 第二章 架桥机金属结构载荷分析及静强度计算 位置时，验算该位置截面的强度及垂向变形，注意该位置不在正跨中，该位置 由固定载荷产生的弯矩及移动载荷( 前起重行车及其负载) 影响线确定。 ( 5 ) 后支腿的强度验算。前起重行车吊梁前行至一定位置，后起重行车吊 梁起升时，此时待架梁的重心位置位于最左侧，后支腿受力最大，应对该工况 下后支腿的强度进行计算。 ( 6 ) 前支腿的强度与稳定性验算。前、后起重行车吊梁前行至落梁位置时， 此时待架梁的重心位置位于最右侧，前支腿的受力最大，应对该工况下前支腿 的强度进行计算。受桥墩尺寸限制，支腿截面尺寸小，为细长杆，应对前支腿 进行整体稳定性计算。 ( 7 ) 前悬