4.2 m攤鋪機熨平板熱結(jié)構(gòu)耦合分析

孫志剛 趙勇

摘 要：對4.2 m小型液壓伸縮攤鋪機熨平板進行縱向變形分析、熱變形分析、熱結(jié)構(gòu)耦合分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)加裝拉索或拉桿對熨平板加長段最外端進行加固，并提高熨平板的縱向剛度，增加板厚或增設(shè)加強筋，對懸掛箱體橫梁與側(cè)板連接處以及調(diào)節(jié)螺柱處進行改善，為后續(xù)熨平板結(jié)構(gòu)改進和優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：攤鋪機；熨平板；變形；熱結(jié)構(gòu)耦合

中圖分類號：U415.52 文獻標(biāo)志碼：B

Analysis of HeatStructure Coupling of Screed of 4.2 m Pavers

SUN Zhigang1，2， ZHAO Yong2

（1. School of Management， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400067， China；

2. XCMG Construction Machinery Co. Ltd.， Xuzhou 221004， Jiangsu， China）

Abstract： Analysis of vertical deformation， heat deformation and heatstructure coupling was conducted on the screed of the 4.2 m hydraulic telescopic paver， and it is found out that the outer end of the extension part of the screed can be enhanced with a zipper or pull rod， and the vertical strength is also improved； the increase of screed thickness and the introducing of reinforcing rib will improve the joint of hanging box beam and later plate and the spot where adjusting stud is on. The suggestion provides a basis for structure improvement and optimization of screed.

Key words： paver； screed； deformation； heatstructure coupling

0 引 言

攤鋪機熨平板的主要作用是將前面螺旋布料器送來的松散、堆積的瀝青混合料，按照一定的寬度、拱度和厚度，均勻地攤鋪在路基上；其次，對鋪層進行初步預(yù)壓實[1]。由于熨平板與混合料直接接觸，熨平板結(jié)構(gòu)的剛度會直接影響到攤鋪后的路面質(zhì)量；而熨平板作業(yè)過程中既受縱向瀝青混合料工作阻力的作用，又受到熨平板底板高溫?zé)彷d荷的作用，情況較為復(fù)雜。為獲得熨平板綜合變形情況，需對其進行熱結(jié)構(gòu)多物理場耦合分析。

在對熨平板結(jié)構(gòu)剛度分析方面，馮忠緒[23]等分析了9 m熨平板的縱向變形，通過試驗分析垂向變形，提出了減小變形量的相應(yīng)措施；并對10 m熨平板進行熱變形分析，提出了熱變形補償措施。侯有良[4]研究了12 m機械拼裝熨平板在靜力、熱變形和激振力作用下，其拉桿安裝位置和組合方式對熨平板變形的影響。上述文獻主要針對單一物理場下熨平板結(jié)構(gòu)的變形情況進行了研究，而對于多場耦合下小型熨平板結(jié)構(gòu)的變形分析，目前尚不多見。筆者基于42 m小型液壓伸縮熨平板的結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)，分析了其縱向變形和熱變形，并在此基礎(chǔ)上對其在熱結(jié)構(gòu)耦合下的綜合變形進行分析，找到了該結(jié)構(gòu)剛度較薄弱的環(huán)節(jié)，為后續(xù)減小熨平板變形量、提高作業(yè)質(zhì)量以及進一步拓寬該熨平板的攤鋪寬度提供了理論參考。

1 熱結(jié)構(gòu)耦合分析的基本思路

耦合分析分為直接耦合分析和間接耦合分析。直接耦合分析是指利用包含所有與耦合場相關(guān)的自由度的耦合單元類型，通過求解包含所需物理量的單元矩陣或載荷向量的方式進行耦合，通常一次分析便能得出所需的耦合場分析結(jié)果；間接耦合分析是指按照順序進行兩次或多次相關(guān)場分析，獲得所需的耦合場分析結(jié)果。間接耦合通常是將第一次物理場分析的結(jié)果作為第二次物理場分析的載荷，以此來實現(xiàn)兩種場的耦合。

對于熱結(jié)構(gòu)耦合分析而言，推薦使用間接法，因為這種方法可以使用所有熱分析和結(jié)構(gòu)分析的功能[5]。熱結(jié)構(gòu)間接耦合分析一般先根據(jù)溫度邊界條件對結(jié)構(gòu)進行熱分析，然后將熱分析得到的節(jié)點溫度結(jié)果作為“溫度載荷”施加到后續(xù)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中，從而得到溫度載荷下結(jié)構(gòu)的熱膨脹位移和應(yīng)力。由于攤鋪機熨平板工作時要對其進行充分的預(yù)熱，因此，可以認為熨平板的分析類型為穩(wěn)態(tài)熱分析，且基于如下能量平衡方程

[K]{T}=[Q]（1）

式中：[K]為傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射率（本文未考慮）和形狀系數(shù)；{T}為節(jié)點溫度向量；[Q]為節(jié)點熱流率向量，包含熱生成。

基于線性靜力結(jié)構(gòu)分析的平衡方程為

[K]{x}=[F]（2）

式中：[F]為靜力載荷，不考慮隨時間變化的載荷和慣性的影響；{x}為位移矩陣，即需要求解的熨平板結(jié)構(gòu)的變形量；[K]為剛度矩陣，假設(shè)材料滿足線彈性和小變形理論。

整個分析流程如圖1所示。

圖1 熱結(jié)構(gòu)耦合分析流程

根據(jù)使用軟件的不同，上述分析流程略有差別，但最終都是將熱分析的結(jié)果作為溫度載荷施加到結(jié)構(gòu)場中，從而獲得耦合場的分析結(jié)果。

2 熨平板縱向變形分析

攤鋪機在作業(yè)時，瀝青混合料對熨平底板產(chǎn)生摩擦阻力，熨平板推移混合料時產(chǎn)生移動阻力，二者共同形成熨平板的工作阻力，從而使其兩側(cè)產(chǎn)生向后的彎曲變形，且攤鋪寬度越大，變形現(xiàn)象越嚴重。endprint

對于大型攤鋪機熨平板，因攤鋪寬度通常在9 m以上，一般在其兩端安裝有拉索，選擇合適的拉索預(yù)緊力和拉索作用位置能夠有效地改善熨平板的縱向變形情況；而對于42 m小型熨平板，其攤鋪寬度較小，通常不設(shè)置拉索，而是做成懸臂的形式。

圖2為4.2 m小型液壓伸縮熨平板的結(jié)構(gòu)，其主體主要由3段構(gòu)成，分別是基礎(chǔ)段、伸縮段和加長段。熨平板結(jié)構(gòu)整體采用Q345普通碳鋼材料，材料屬性如表1所示。

在進行有限元分析前，為了便于加載，對邊界條件的施加作如下假定。

（1） 工作阻力按均布力加載在熨平板底板各段后端1/3處，方向與底板成3°夾角，并指向攤鋪機前進方向的反方向[6]。

（2） 工作阻力的載荷集度近似按1 t·m-1進行計算。

（3） 在大臂連接板處施加固定約束。

基于上述設(shè)定，對該攤鋪機熨平板進行靜力分析，得到熨平板結(jié)構(gòu)的縱向變形云圖，如圖3所示。

圖3 縱向變形云圖

由圖3可見，熨平板兩側(cè)產(chǎn)生向后的彎曲變形，最大變形發(fā)生在加長段最外端，數(shù)值為8.280 8 mm，這是由于加長段處在熨平板的最外端，且無拉索加固，因而該處變形量較大。

3 熨平板熱變形分析

熨平板的熱變形是由于熨平板在攤鋪作業(yè)過程中，底板與高溫的瀝青混合料相接觸而產(chǎn)生熱膨脹，而熨平板結(jié)構(gòu)各部分的溫度分布不均，使得各部分受熱后的膨脹變形量不一樣，最終導(dǎo)致底板產(chǎn)生向上的翹曲變形。

確定熨平板的熱變形需進行兩方面的計算：按照熱傳導(dǎo)理論，根據(jù)熨平板的熱學(xué)性質(zhì)、內(nèi)部熱源、初始條件和邊界條件，計算出彈性體內(nèi)各點在各瞬時的溫度，而前后兩個溫度場之差就是彈性體的變溫；按照“熱彈性力學(xué)”，根據(jù)彈性體的變溫求出熨平板各點的溫度應(yīng)變[7]。因此，首先應(yīng)進行穩(wěn)態(tài)溫度場分析。設(shè)環(huán)境溫度為22 ℃，忽略熱輻射，熨平板底板溫度按瀝青混合料的溫度設(shè)定，約為150 ℃，Q345碳鋼材料的線膨脹系數(shù)設(shè)為123×10-5 m·℃-1，導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)為42.6 W·（m·℃）-1。經(jīng)計算得到熨平板結(jié)構(gòu)的溫度場分布云圖，如圖4所示。

圖4 溫度場分布云圖

可見，穩(wěn)態(tài)下熨平板溫度自底板至上部，由150 ℃逐漸衰減到環(huán)境溫度22 ℃。進一步設(shè)置熨平板與周圍空氣間的對流傳熱系數(shù)為8 W·m-2· ℃-1，并在大臂連接板處施加固定約束，計算得到熨平板的熱變形，如圖5所示。

圖5 熱變形云圖

由圖5可知，熨平板各段尤其是加長段發(fā)生了向上的翹曲變形，最大變形發(fā)生在加長段最外端，變形量為3867 8 mm。這是由于加長段的外端為自由端（類似懸臂梁式的結(jié)構(gòu)）所致的。同時，可以作出熨平板底板各段的熱變形量沿各板長度方向的變化曲線，如圖6所示。

圖6 熨平板底板各段的熱變形量曲線

可見，熨平板加長段由于最外端沒有約束，其熱變形量較伸縮段和基礎(chǔ)段的熱變形量大，且變化急劇，越靠近外端變形量越大；而伸縮段和基礎(chǔ)段由于受兩端側(cè)板的約束，其熱變形的趨勢相對平緩。

4 熨平板熱結(jié)構(gòu)耦合變形分析

熨平板在攤鋪作業(yè)過程中，一方面受到攤鋪物料對其向后的工作阻力作用而發(fā)生向后的縱向變形；另一方面受到高溫瀝青混合料的溫度載荷作用而發(fā)生向上翹曲的熱變形。為獲得熨平板的綜合變形情況，需要同時考慮結(jié)構(gòu)場和溫度場因素，進行多物理場耦合分析。對于本例，按圖1分析流程，首先進行熱分析，求得結(jié)構(gòu)的溫度場；然后將模型中的單元轉(zhuǎn)變?yōu)閷?yīng)的結(jié)構(gòu)分析單元，并將上一步求得的熱分析結(jié)構(gòu)當(dāng)作體載荷施加到節(jié)點上；最后定義其余結(jié)構(gòu)分析需要的選項，進行結(jié)構(gòu)分析，從而求出熨平板的綜合變形。

經(jīng)熱結(jié)構(gòu)耦合分析，得到熨平板的綜合變形云圖，如圖7所示。

圖7 綜合變形云圖

由圖7可見，最大變形發(fā)生在熨平板加長段最外端，方向朝向后上方，大小為10.101 mm。這是由于熨平板受多物理場載荷的共同作用所致。表2列出了對該攤鋪機熨平板分析獲得的縱向變形、熱變形和綜合變形情況。

分析發(fā)現(xiàn)，在懸掛箱體橫梁與側(cè)板連接處以及調(diào)節(jié)螺柱處的應(yīng)變能較大，因而這些部位是剛度較薄弱的部位。同時，這些部位也是連接和傳遞載荷的位置，因此需在后續(xù)設(shè)計和結(jié)構(gòu)改進中加以注意[8]。

5 結(jié) 語

（1） 經(jīng)對4.2 m小型攤鋪機熨平板進行熱結(jié)構(gòu)耦合分析，得知其最大變形量發(fā)生在熨平板加長段最外端，這是由加長段類似懸臂梁的結(jié)構(gòu)所決定的，可考慮加裝拉索或拉桿進行加固，以提高該部位的剛度。

（2） 通過對該攤鋪機熨平板的縱向變形、熱變形以及熱結(jié)構(gòu)耦合下的綜合變形的計算和比較，可知縱向變形相對較大。因此，提高熨平板的縱向剛度是控制變形的關(guān)鍵。

（3） 通過分析獲得了熨平板結(jié)構(gòu)剛度較薄弱的部位發(fā)生在懸掛箱體橫梁與側(cè)板連接處以及調(diào)節(jié)螺柱處，可考慮增加板厚或增設(shè)加強筋對該部位進行改善，以達到減小熨平板結(jié)構(gòu)變形量的目的。

參考文獻：

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[責(zé)任編輯：譚忠華]endprint