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矮寨悬索桥桥梁检查车的静态力学性能分析
Analysis of static mechanical characteristics for the bridge
inspection vehicle of the aizhai suspension bridge
史卫朝，王丽洁，徐德凯
SHI Wei-zhao, WANG Li-jie, XU De-kai
（西安理工大学，西安 710082）
摘 要：以矮寨悬索桥桥梁检查车为研究对象，基于有限元方法和结构力学理论，以有限元分析软件
ANSYS为平台，对检查车的整体进行了静力学分析，获得了钢桁梁检查车整体在不同载荷下的应力与位移的分布情况。分析的数据和研究结果为检查车的制造、安装提供了可靠的保障，也为后续类似检查车的结构改进提供了参考依据。
关键词：钢桁梁检查车；ANSYS；Pro/ENGINEER；有限元分析；静力学分析中图分类号：TH123 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2014)11(下)-0051-04Doi：10.3969/j.issn.1009-0134.2014.11(下).14
收稿日期：2014-06-30
作者简介：史卫朝（1981 -），男，陕西西安人，讲师，硕士，主要从事CAD/CAM 技术研究。
0 引言
矮寨特大悬索桥是长沙至重庆公路通道、湖南省吉首至茶洞高速公路跨越矮寨大峡谷的一座特大型桥梁，为吉茶高速公路的控制性工程，如图1所示。矮寨大峡谷谷深坡陡，高差达350m ，地质情况复杂。桥型方案为钢桁加劲梁单跨悬索桥，主缆孔跨布置为242+l176+116m ，矢跨比1/9.6。主梁为钢桁加劲梁，全长为1000.5m 。主桥横向设2％横坡，桥面系宽24.5m [1]。矮寨大桥为双向四车道高速公路特大桥，设计车速80km/h ，设计汽车荷载为公路1级，桥面设计风速34.9m/s 。
作为大桥的配套设施，钢桁梁检查车对于大桥的安全担负着重要作用，需要克服各种恶劣环境的影响，维修人员要不定期对桥梁进行检查、维修，保证大桥的正常运行。但矮寨特大悬索桥的桥宽为24.5m ，加之桥面的车流的流量大，这样就制约了普通检查车的应用。针对大桥的特点，研制矮寨特大悬索桥的钢桁梁检查车有着重要的使用价值和理论意义。
1 钢桁梁检查车结构
为了方便矮寨特大悬索桥的检查维修，需要在钢桁梁桥下方安装了一台维护检查车，满足施
工及维护需要。为保证桥梁建设和检查车设计安装能保质保量并按期竣工，桥梁施工单位对钢桁梁维护检查车设计（检查车设计荷载为：集中荷载4.5KN ，固定荷载4.5KN ）、制造、安装进行了招标。本课题组成为了检查车的设计、制造、安装的中标方。矮寨悬索桥的标准断面图及其下方安装的检查车如图2所示。
根据设计部门的要求，矮寨特大悬索桥的检查车结合吊栏式和桁架式两种结构的优点，由作业吊栏、悬挂连接结构、走行装置、驱动机构、减速机构、电动手动转换和互锁机构、刹车机构、固定式液压升降平台、移动式液压升降平台、电控部分等组成。走行装置挂在工字钢轨道的下翼上面，作业吊栏通过悬挂连接结构的连接吊杆与走行装置连接。启动电机或摇动手动驱动手把，通过减速机和齿轮传动驱动走行装置带动检查车沿轨道行走。刹车机构固定在走行装置墙板上，转动刹车手轮，把聚氨脂橡胶板紧紧顶在工字钢导轨的腹板上，可以将检查维修车位置固定。
2 钢桁梁检查车有限元模型的建立
钢桁梁检查车有限元模型的建立是有限元分析的前提，建立的合理与否直接影响着后续分析
的可信度以及分析的效率。因此，寻求高质量、快速的有限元模型建立方法有着重要的意义。
钢桁梁检查车，其钢桁件繁多、长度较长，是一种几何结构复杂的实体，同时由于研究的重点是检查车的静态特性。本文采用Pro/E 软件建立检查车的参数化实体几何模型（如图3所示），然后，将实体几何模型导入到有限元分析软件系统（ANSYS 软件），但由于检查车几何模型零件众多，结构复杂，在导入ANSYS 软件后会出现计算量大，造成计算机无法正常工作现象，因此进行结构分析时需要对其进行简化处理，完成有限元分析模型的建立
。
图3 检查车几何模型
图4 检查车网格划分示意图
本文所分析的检查车的材料为Q235，在课题研究中，将材料模型简化为弹性体。其屈服强度σ＝235MPa ，抗拉强度σb ＝400MPa 。弹性模量E=2.0×105MPa ，泊松比μ＝0.3。
网格划分[2]是有限元分析重要的一个环节，单元的合理选择、网格数量、网格质量都将影响问题求解的时间和准确性。本设计的检查车因为
长度太长，划分为六面体后影响计算速度，因此使用四面体划分的思想将检查车分块。图4为采用beam188单元对检查车做的网格划分示意图，共划分单元273个，节点126个。
对于钢桁梁检查车主体结构的边界条件的确定，需要分析其安装情况，检查车主体的走行装置挂在桥梁工字钢轨道的下翼上面，作业吊栏通过悬挂连接结构的连接吊杆与走行装置连接。因此，本文所研究检查车的边界约束全部位于走行装置处，而走行装置的约束主要是X ，Z 方向位移全约束，如图5所示。本文将采用典型工况和极限工况约束的方法来研究检查车的力学特性
。
图5 边界约束
钢桁梁检查车主体在工作时，主要载荷是其平台上物体的压力及自身重力，属于稳态静力。下面将按照静态载荷形式，给检查车施加力载荷。其中，升降机重力为4500N ，每位工作人员重力为1000N 。
3 钢桁梁检查车的静态分析
静力分析[3]用来计算结构在稳态载荷作用下的位移、应力、应变等。静力分析中的平衡方程为：
[K]{U}={F} (1)式中，[K]为系统的刚度矩阵；{U}为系统的节点位移向量；{F}为系统的节点力向量。通过求解方程式（1），可得系统的各节点位移，再由几何方程和本构方程可得到各单元内部的应力和应变。本文采用ANSYS 的默认求解器对检查车进行静力分析。钢桁梁检查车在正常状态下受自身重力、升降机载荷、工作人员重力等。静态分析主要是研究检查车在这几种载荷下的应力分布和变形情况。
1）加载自身重力、升降机载荷工况分析
(a)
(b)
(c)
图6
升降机在不同工况下检查车应力云图
图1 矮寨特大悬索桥
图2 矮寨悬索桥标准断面及其下方安装的检查车
由图6中可看出，当升降机在工作平台端部时，检查车的高应力区域位于中间区域处，总体应力相对较低，但是在检查车底部槽钢中间位置处应力集中现象比较严重，局部应力有5.86MPa 。随着升降机位置的变化，检查车的应力分布基本没有发生变化，底部槽钢中间位置处应力急剧增大，当升降机位于检查车中间位置时，底部槽钢中间位置处的应力达到16.4MPa ，存在应力集中现象，但由公式：
[]MPa MPa s 2305.14.16max
==<=σσσ (2)
可见，整体桁架结构满足强度要求。
表1为检查车各向应力最大值随升降机位置的变化情况，从中可以看出，随着升降机由端部向中间靠近，X 、Y 、Z 三个方向的应力最大值都在升高，从数值上来看，X 向应力值最大，而且表现为压应力，Y 向次之，Z 向最小。基于前面对整体应力分布的分析可知最大应力处存在底部槽钢中间位置的X 向，计算数值并不代表实际应力数值，但可以用来大致描述应力变化趋势。
表1 加载自身重力、升降机载荷检查车应力最大值工 况最大应力（Mpa ）
X 向应力Y 向应力Z 向应力Mises 应力a -4.99-3.6-3.1 5.86b -10.7-4.3-4.213.7c
-14.3
-6.3
-6.4
16.4
随着升降机工作位置的变化，位移的相对分布并没有太大变化，与应力变形一致，整体的变形是由两端至中间逐渐增大。由表2可知最大位移变形值为10.5mm ，对比检查车整体结构及设计要求，位移变形值在安全范围内，满足实际工作要求。
根据计算的位移云图，进行的定性分析，对于获得变形分布规律已经足够。检查车各个部位的具体位移数据，可以从计算结果中提取，由于数据量很大，在此没有列出，具体数据值已经存于数据文件中，需要时，可随时打开，进行更加详细的定量分析。
表2 加载自身重力、升降机载荷检查车移最大值工 况最大位移（mm ）
UX UY UZ USUM a -0.186-1.55-3.69 3.994b -0.46-3.412-9.059.67c
-0.48
-3.86
-9.7
10.5
2）加载所有载荷工况分析
由图7中可看出，当所有载荷力在工作平台1/4处时，检查车的高应力区域位于中间区域处，总体应力相对较低，但是在检查车底部槽钢中间位置处应力集中现象比较严重，局部应力有5.86MPa ；当载荷位于检查车中间位置时，底部槽钢中间位置处的应力达到16.4MPa 。由公式：
[]MPa MPa s 2305
.16.25max ==<
=σσσ (3)可见，检查车整体桁架满足强度要求。
表3为检查车的各向应力最大值随载荷位置的变化情况，从表中可以看出，随着载荷由端部向中间靠近，X 、Y 、Z 三个方向的应力最大值都在升高，从数值上来看，X 向应力值最大，而且表现为压应力，Y 向次之，Z 向最小。基于前面对整体应力分布的分析可知，最大应力处仍存在底部槽钢中间位置的X 向
。
图7 检查车受所有载荷下应力云图表3 加载所有载荷下检查车的各向应力最大值
工况最大应力（Mpa ）
X 向应力Y 向应力Z 向应力Mises 应力a -16.9-6.6-5.718.9b
-13.5
-7.3
-6.8
25.6
表4列出了检查车在不同工况下的最大位移，由表可以看出，检查车的Z 向的最大压变形为13.85mm ，对比检查车整体结构及设计要求，位移变形值在安全范围内，可满足实际工作的要求。
表4 加载所有载荷下检查车的位移最大值工况最大位移（mm ）
UX UY UZ USUM a -3.186-4.55-11.813.4b
-4.46
-5.312
-13.85
15.5
【下转第65页】
4 实验结果
根据上面提出的理论以四轴联动系统进行了实验，实验结果显示通过LabVIEW软件平台，SolidWorks三维模型可以按照PLC程序实现运动，从而直观逼真的实现对PLC程序的调试，避免了在硬件设备上调试时的潜在危险。
5 结论
本文利用LabVIEW软件作为平台使PLC程序控制SolidWorks三维模型运动，直观而又安全的对PLC程序进行了检验，达到了程序调试的目的。利用这种PLC程序调试方法，不仅可以在控制系统设计阶段对程序进行调试，而且可以避免直接在硬件设备上进行调试可能发生的危险及财产损失。参考文献：
[1] 张卫国.S7-PLCSIM在西门子S7-300/400 PLC程序调试
中的应用[J].现代电子技术,2008,12:192-194.
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[3] 万鹏,赵世平,徐弘轩.基于M o d b u s协议的P L C与
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[5] 武文佳.基于SolidWorks&LabVIEW的虚拟原型机电一
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4 检查车整体静态分析的结论
从上面的分析结果可知各种工况下的检查车在受到稳态载荷时，变形量分布基本一致，都是从检查车两端到检查车中间逐渐增大，最大变形量出现在检查侧底部槽钢中间位置，检查车上半部分的变形量非常小。Z方向的变形量最大，Z方向的变形量要大于其它两个方向，底部槽钢受力比较直接，所以Z方向的变形量就偏大。
从上面不同工况及载荷的应力分析可知，检查车自身及升降机的重力起关键作用，而工作人员的载荷影响较小。从数值分析的结果来看，检查车在载荷处于中间位置时的静态应力较高，尤其是在所有载荷都作用时存在较大的应力集中现象。因此，在操作检查车时，应避免所有维修人员一起站在检查车中间，以减少局部载荷集中导致检查车应力增大的现象发生。
总之，检查车的整体结构满足强度方面的要求，符合安全工作的需要；同时，检查车各部位的变形也在要求的范围以内，检查车具有足够的刚度。
5 结束语
由于对钢桁梁检查车的研究，特别是钢桁梁结构与吊栏结构结合的检查车可以参考的文献非常少，只能根据桥梁设计部门给出检查车的应变范围进行设计制造，所以研制的工作量非常大，再加上检查车工作环境复杂，需要考虑的因素较多，本文研究的结果还有待于进一步完善。对于本次设计的检查车在以下方面可进一步研究，为后续有关桥梁检查车的设计和制造等提供更有利的保障。
1）对检查车的动态性能进行分析，以获得检查车的动态性能，为以后的结构优化和性能提高提供依据。
2）根据现场的具体气象条件考虑风力的影响，对检查车进行风力作用的计算和现场试验，获得风的作用对检查车的影响数据和结果，为后续的研究和设计提供依据。
参考文献：
[1] 陈明宪.矮寨特大悬索桥建设新技术研究[J].中外公
路,2011,31(6):1-5.
[2] 祝磊,马赢.ANSYS 7.0入门与提高[M].北京:清华大学出
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[3] 范钦珊,王立峰.理论力学[J].北京:机械工业出版社,2013.
【上接第53页】
矮寨悬索桥桥梁检查车的静态力学性能分析
作者：史卫朝， 王丽洁， 徐德凯， SHI Wei-zhao， WANG Li-jie， XU De-kai 作者单位：西安理工大学,西安,710082
刊名：
制造业自动化
英文刊名：Manufacturing Automation
年，卷(期)：2014(22)
参考文献(3条)
1.陈明宪矮寨特大悬索桥建设新技术研究 2011(06)
2.祝磊;马赢ANSYS 7.0入门与提高 2004
3.范钦珊;王立峰理论力学 2013
本文链接：https://www.doczj.com/doc/859987546.html,/Periodical_zzyzdh201422014.aspx