架橋機(jī)主梁的有限元分析及其優(yōu)化

DF40/120架橋機(jī)主要由主梁、導(dǎo)梁、前頂高支腿、前支腿、后支腿、后頂高支腿、聯(lián)系框架、導(dǎo)梁斜撐、起重小車等組成。架橋機(jī)通過前、中、后3個(gè)液壓系統(tǒng)不同組合實(shí)現(xiàn)升降，可調(diào)整任何一個(gè)支腿的位置和高度，利用軌道整體前行，懸臂過孔來簡支架設(shè)，由小車實(shí)現(xiàn)縱向移動(dòng)以配合軌道橫移，使所架設(shè)的梁到達(dá)設(shè)計(jì)位置，整機(jī)外形如圖所示。
該架橋機(jī)適用于40m以下跨徑、梁重120t以下的混凝土預(yù)制梁的安裝；采用過墩方梁，可實(shí)現(xiàn)高等級(jí)公路橋梁全幅一次安架設(shè)，架梁速度高；架橋機(jī)前、中支腿位置可以隨意調(diào)整，因此適應(yīng)45°以下的斜橋，對(duì)彎橋的適應(yīng)性也很大。架橋機(jī)原主梁（優(yōu)化前）采用Q235B鋼，自重108.4t，軸線高度2530mm。雙主梁單邊采用“A”字?jǐn)嗝�，每�?jié)長10m，由9節(jié)組成，用銷軸連接，其中包括2節(jié)導(dǎo)梁和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)7節(jié)（每節(jié)5段共10m），如圖2所示。上弦桿采用雙32B工字型鋼焊接，下弦桿采用雙22號(hào)槽鋼焊接。局部區(qū)域加強(qiáng)位置為小車位于跨中附近時(shí)的上下弦、過孔時(shí)主梁縱移到位時(shí)的下弦和架邊梁時(shí)兩支腿附近的上下弦桿及腹桿。
架橋機(jī)主梁的前支腿上設(shè)置行走機(jī)構(gòu)及吊掛裝置，中支腿上安裝主梁縱移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，過孔時(shí)下弦桿與前支腿和中支腿相對(duì)運(yùn)行，因而下弦桿截面需采用相同的型鋼和組合。主梁一方面承受移動(dòng)荷載作用，另一方面不同截面位置的應(yīng)力水平和變形也不同，因此主梁上每節(jié)或每段的理論最優(yōu)截面參數(shù)和尺寸是變化的，考慮到實(shí)際工作情況和制造工藝需要，主梁必須等高，上弦桿截面需采用相同的型鋼和組合。因此需確定主梁在主要工況時(shí)上下弦桿的最優(yōu)型鋼規(guī)格，再確定型鋼類別和型號(hào)，最后通過多工況的優(yōu)化計(jì)算來確定主梁弦桿和腹桿等構(gòu)件需加強(qiáng)的部位和尺寸。根據(jù)同類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，上弦桿采用雙工字型鋼焊接，腹桿和下弦桿均采用雙槽鋼焊接，主梁截面選用質(zhì)量輕的三角形截面。
弦桿規(guī)格包括型鋼高度、翼緣厚度和翼緣寬度和腹板厚度。為表征型鋼型號(hào)，取上弦型鋼高度H_i（i=1，2，…7）、下弦型鋼高度K_i（i=1，2，…7）為獨(dú)立設(shè)計(jì)變量。為表征型鋼類別，經(jīng)統(tǒng)計(jì)在擬選型鋼型號(hào)范圍中翼緣厚度、翼緣寬度與型鋼高度的比值為常數(shù)，腹板厚度與型鋼高度的比值有跳躍性的變化，因此取為獨(dú)立設(shè)計(jì)變量。在弦桿型鋼進(jìn)行優(yōu)化選型時(shí)，共取29個(gè)獨(dú)立設(shè)計(jì)變量。
區(qū)域加強(qiáng)有限元分析優(yōu)化方案為：下弦桿槽鋼腹板內(nèi)側(cè)焊接鋼板以增加截面慣性矩；工字鋼腹板內(nèi)側(cè)焊接鋼板以增加截面慣性矩；腹桿的腹板外側(cè)焊接鋼板以增加截面積。在弦桿型鋼選型優(yōu)化基礎(chǔ)上，經(jīng)主梁靈敏度分析，進(jìn)行主梁構(gòu)件在多工況下的區(qū)域加強(qiáng)優(yōu)化。首先，以主梁上35個(gè)上弦桿腹板厚度和主梁高度增加值，共36個(gè)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化比對(duì)計(jì)算，確定上弦桿需加強(qiáng)的位置；然后，再在加強(qiáng)區(qū)內(nèi)取相同的加強(qiáng)厚度進(jìn)行優(yōu)化比對(duì)計(jì)算，確定最優(yōu)加強(qiáng)厚度；再用相同的方法確定下弦桿需加強(qiáng)的位置和最優(yōu)加強(qiáng)厚度。腹桿優(yōu)化采用35段腹桿截面積和主梁高度為設(shè)計(jì)變量計(jì)算比對(duì)，確定腹桿需加強(qiáng)的位置；在加強(qiáng)區(qū)域取相同腹桿加強(qiáng)面積增加值進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得出最優(yōu)腹桿加強(qiáng)面積并圓整加強(qiáng)鋼板的規(guī)格和尺寸。在弦桿型鋼優(yōu)化選型和主梁構(gòu)件區(qū)域加強(qiáng)優(yōu)化基礎(chǔ)上，最后優(yōu)化主梁的高度。
DF40/120架橋機(jī)主梁是空間桁架體系，采用ANSYS建立計(jì)算模型。上下弦桿均采用三維梁單元模擬，腹桿用三維桿單元模擬，共有單元數(shù)2884個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)4150個(gè)，主梁三維模型局部如圖所示。
架橋機(jī)的工作過程分為架橋和過孔兩大階段，確定了12個(gè)架橋工況和5個(gè)過孔工況，共計(jì)17個(gè)工況來模擬架橋機(jī)整個(gè)工作過程。

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