摊铺机熨平板

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4.2m摊铺机熨平板热布局耦合的应力探讨

4.2m摊铺机熨平板热布局耦合的应力探讨0引言摊铺机熨平板的主要作用是将前面螺旋布料器送来的松散、聚积的沥青混合料，按照确定的宽度、拱度和厚度，平匀地摊铺在路基上；

其次，对铺层举行初步预压实[1]。

由于熨平板与混合料直接接触，熨平板布局的刚度会直接影响到摊铺后的路面质量；

而熨平板作业过程中既受纵向沥青混合料工作阻力的作用，又受到熨平板底板高温热载荷的作用，处境较为繁杂。为获得熨平板综合变形处境，需对其进行热布局多物理场耦合分析。

在对熨平板布局刚度分析方面，冯忠绪[23]等分析了9m熨平板的纵向变形，通过试验分析垂向变形，提出了减小变形量的相应措施；

并对10m熨平板举行热变形分析，提出了热变形补偿措施。侯有良[4]研究了12m机械拼装熨平板在静力、热变形和激振力作用下，其拉杆安装位置和组合方式对熨平板变形的影响。上述文献主要针对单一物理场下熨平板布局的变形处境举行了研究，而对于多场耦合下小型熨平板布局的变形分析，目前尚不多见。笔者基于42m小型液压伸缩熨平板的布局和工作参数，分析了其纵向变形和热变形，并在此根基上对其在热布局耦合下的综合变形举行分析，找到了该布局刚度较薄弱的环节，为后续减小熨平板变形量、提高作业质量以及进一步拓宽该熨平板的摊铺宽度供给了理论参考。1热布局耦合分析的根本思路耦合分析分为直接耦合分析和间接耦合分析。直接耦合分析是指利用包含全体与耦合场相关的自由度的耦合单元类型，通过求解包含所需物理量的单元矩阵或载荷向量的方式举行耦合，通常一次分析便能得出所需的耦合场分析结果；

间接耦合分析是指按照依次举行两次或屡屡相关场分析，获得所需的耦合场分析结果。间接耦合通常是将第一次物理场分析的结果作为其次次物理场分析的载荷，以此来实现两种场的耦合。

对于热布局耦合分析而言，推举使用间接法，由于这种方法可以使用全体热分析和布局分析的功能[5]。热布局间接耦合分析一般先根据温度边界条件对布局举行热分析，然后将热分析得到的节点温度结果作为“温度载荷”施加到后续的布局应力分析中，从而得到温度载荷下布局的热膨胀位移和应力。由于摊铺机熨平板工作时要对其举行充分的预热，因此，可以认为熨平板的分析类型为稳态热分析，且基于如下能量平衡方程[K]{T}=[Q]（1）式中：[K]为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率（本文未考虑）和外形系数；

{T}为节点温度向量；

[Q]为节点热流率向量，包含热生成。

基于线性静力布局分析的平衡方程为[K]{x}=[F]（2）式中：[F]为静力载荷，不考虑随时间变化的载荷和惯性的影响；

{x}为位移矩阵，即需要求解的熨平板布局的变形量；

[K]为刚度矩阵，假设材料得志线弹性和小变形理论。

整个分析流程如图1所示。

图1热布局耦合分析流程根据使用软件的不同，上述分析流程略有区别，但最终都是将热分析的结果作为温度载荷施加到布局场中，从而获得耦合场的分析结果。

2熨平板纵向变形分析摊铺机在作业时，沥青混合料对熨平底板产生摩擦阻力，熨平板推移混合料时产生移动阻力，二者共同形成熨平板的工作阻力，从而使其两侧产生向后的弯曲变形，且摊铺宽度越大，变形现象越严重。

对于大型摊铺机熨平板，因摊铺宽度通常在9m以上，一般在其两端安装有拉索，选择适合的拉索预紧力和拉索作用位置能够有效地改善熨平板的纵向变形处境；

而对于42m小型熨平板，其摊铺宽度较小，通常不设置拉索，而是做成悬臂的形式。

图2为4.2m小型液压伸缩熨平板的布局，其主体主要由3段构成，分别是根基段、伸缩段和加长段。熨平板布局整体采用Q345普遍碳钢材料，材料属性如表1所示。

在举行有限元分析前，为了便于加载，对边界条件的施加作如下假定。（1）工作阻力按均布力加载在熨平板底板各段后端1/3处，方向与底板成3°夹角，并指向摊铺机前进方向的反方向[6]。

（2）工作阻力的载荷集度近似按1t·m-1举行计算。

（3）在大臂连接板处施加固定约束。

基于上述设定，对该摊铺机熨平板举行静力分析，得到熨平板布局的纵向变形云图，如图3所示。

图3纵向变形云图由图3可见，熨平板两侧产生向后的弯曲变形，最大变形发生在加长段最外端，数值为8.2808mm，这是由于加长段处在熨平板的最外端，且无拉索加固，因而该处变形量较大。

3熨平板热变形分析熨平板的热变形是由于熨平板在摊铺作业过程中，底板与高温的沥青混合料相接触而产生热膨胀，而熨平板布局各片面的温度分布不均，使得各片面受热后的膨胀变形量不一样，最终导致底板产生向上的翘曲变形。

确定熨平板的热变形需举行两方面的计算：按照热传导理论，根据熨平板的热学性质、内部热源、初始条件和边界条件，计算出弹性体内各点在各瞬时的温度，而前后两个温度场之差就是弹性体的变温；

按照“热弹性力学”，根据弹性体的变温求出熨平板各点的温度应变[7]。因此，首先应举行稳态温度场分析。设环境温度为22℃，疏忽热辐射，熨平板底板温度按沥青混合料的温度设定，约为150℃，Q345碳钢材料的线膨胀系数设为123×10-5m·℃-1，导热系数设为42.6W·（m·℃）-1。经计算得到熨平板布局的温度场分布云图，如图4所示。

图4温度场分布云图可见，稳态下熨平板温度自底板至上部，由150℃逐步衰减到环境温度22℃。进一步设置熨平板与周边空气间的对流传热系数为8W·m-2·℃-1，并在大臂连接板处施加固定约束，计算得到熨平板的热变形，如图5所示。

图5热变形云图由图5可知，熨平板各段尤其是加长段发生了向上的翘曲变形，最大变形发生在加长段最外端，变形量为38678mm。

这是由于加长段的外端为自由端（类似悬臂梁式的布局）所致的。同时，可以作出熨平板底板各段的热变形量沿各板长度方向的变化曲线，如图6所示。

图6熨平板底板各段的热变形量曲线可见，熨平板加长段由于最外端没有约束，其热变形量较伸缩段和根基段的热变形量大，且变化急剧，越靠近外端变形量越大；

而伸缩段和根基段由于受两端侧板的约束，其热变形的趋势相对平缓。

4熨平板热布局耦合变形分析熨平板在摊铺作业过程中，一方面受到摊铺物料对其向后的工作阻力作用而发生向后的纵向变形；

另一方面受到高温沥青混合料的温度载荷作用而发生向上翘曲的热变形。为获得熨平板的综合变形处境，需要同时考虑布局场和温度场因素，举行多物理场耦合分析。对于本例，按图1分析流程，首先举行热分析，求得布局的温度场；

然后将模型中的单元转变为对应的布局分析单元，并将上一步求得的热分析布局当作体载荷施加到节点上；

结果定义其余布局分析需要的选项，举行布局分析，从而求出熨平板的综合变形。

经热布局耦合分析，得到熨平板的综合变形云图，如图7所示。

图7综合变形云图由图7可见，最大变形发生在熨平板加长段最外端，方向朝向后上方，大小为10.101mm。这是由于熨平板受多物理场载荷的共同作用所致。表2列出了对该摊铺机熨平板分析获得的纵向变形、热变形和综合变形处境。

分析察觉，在悬挂箱体横梁与侧板连接处以及调理螺柱处的应变能较大，因而这些部位是刚度较薄弱的部位。同时，这些部位也是连接和传递载荷的位置，因此需在后续设计和布局提升中加以留神[8]。

5结语（1）经对4.2m小型摊铺机熨平板举行热布局耦合分析，得知其最大变形量发生在熨平板加长段最外端，这是由加长段类似悬臂梁的布局所抉择的，可考虑加装拉索或拉杆举行加固，以提高该部位的刚度。（2