基于Femap with NX Nastran的JQG150/30 U梁架橋機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析

林利芬 陳淑玲 肖 浩

（1.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，湖北武漢430205；2.武漢卡特工業(yè)股份有限公司，湖北武漢430074）

0 引言

U梁架橋機(jī)主要應(yīng)用于城市軌道交通建設(shè)，相對(duì)于常規(guī)的公路架橋機(jī)，其桁架間距大，前支腿高度低，并且對(duì)步履前行的前后支腿站位要求高。本文以出口到印尼的一臺(tái)額定吊重為150 t的JQG150/30 U梁架橋機(jī)為分析對(duì)象，按照極限應(yīng)力法對(duì)其運(yùn)梁、架梁和過孔過程中的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核，并對(duì)主橫梁與前后支腿的連接方法進(jìn)行探討。該U梁架橋機(jī)金屬結(jié)構(gòu)主要由主橫梁、縱移行車、起重小車、反滾輪、前支腿、中支腿、尾支腿、大車行走機(jī)構(gòu)、供電系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)等部件組成。

1 計(jì)算模型建立

采用有限元計(jì)算軟件Femap with NX Nastran建立U梁架橋機(jī)的整機(jī)模型，整機(jī)模型包含兩種單元，一種是beam單元，另一種是剛性單元。主橫梁、縱移行車、前支腿、中支腿和尾支腿均采用beam單元模擬；主橫梁的上下弦桿為左右貼板的H型鋼，在Femap中繪制截面，通過自定義截面添加到梁單元當(dāng)中；主橫梁的腹桿為方管，通過梁單元自有的截面添加截面屬性；縱移行車的主梁為變截面梁，通過變截面梁定義兩端的截面屬性；主橫梁前后平聯(lián)的上下弦桿和腹桿均為方管，通過梁單元的自有截面添加截面屬性；前支腿、中支腿和尾支腿均為箱梁結(jié)構(gòu)，通過梁單元的自有截面添加單元屬性；縱移行車與主橫梁之間，主橫梁與前后平聯(lián)之間均通過共有節(jié)點(diǎn)的方式傳遞載荷；前后平聯(lián)與前支腿和尾支腿以及中支腿與主橫梁之間，通過RBE2剛性單元建立連接；由于在運(yùn)梁、架梁、過孔的過程中，中支腿和縱移行車所處位置不同，分別對(duì)四個(gè)典型工況建立四組模型，圖1為U梁架橋機(jī)架設(shè)邊梁時(shí)的整機(jī)計(jì)算模型。

圖1 U梁架橋機(jī)架設(shè)邊梁時(shí)的有限元計(jì)算模型

約束條件說明：在四種典型工況中，大車均處于靜止?fàn)顟B(tài)，在整機(jī)橫向移動(dòng)方向約束前后中支腿的水平自由度，僅釋放沿橫移軌道旋轉(zhuǎn)的自由度；橫移大車的自由度為（Dx、Dy、Dz、Ry、Rz）。

計(jì)算工況說明：表1為起重小車在跨中、剛性支腿側(cè)極限位置、柔性支腿側(cè)極限位置分別起吊動(dòng)載荷并且小車緊急制動(dòng)以及在跨中額定起重量下的四個(gè)計(jì)算工況。

表1 起重小車的四個(gè)計(jì)算工況

2 整機(jī)金屬結(jié)構(gòu)有限元分析

當(dāng)前部起重小車尾部取梁時(shí)，整機(jī)最大應(yīng)力為220.2 MPa，最大應(yīng)力為后部支腿支撐位置的腹桿應(yīng)力。此時(shí)尾部懸臂端，距離后部支腿3 500 mm距離的主梁下?lián)? mm，撓度值8/3 500=1/437＜1/350，滿足懸臂梁設(shè)計(jì)要求。圖2為前起重小車在尾部取梁時(shí)的整機(jī)應(yīng)力分布圖。

圖2 前起重小車尾部取梁時(shí)整機(jī)應(yīng)力分布（單位：MPa）

當(dāng)前部起重小車在額定起重量下行走到跨中時(shí)，整機(jī)最大應(yīng)力為272.8 MPa，最大應(yīng)力為后部支腿支撐位置的下弦桿局部應(yīng)力；此時(shí)腹桿的最大應(yīng)力為229 MPa，接近極限應(yīng)力235 MPa。在此時(shí)的計(jì)算模型上，跨中僅添加額定起重量時(shí)，跨中下?lián)?1.5 mm，前后中支腿的中點(diǎn)間距為31 600 mm，跨中撓度值51.5/31 600=1/613＜1/400，滿足架橋機(jī)跨中剛度設(shè)計(jì)要求。

當(dāng)兩臺(tái)起重小車在額定起重量下處于架設(shè)邊梁的位置時(shí)，整機(jī)最大應(yīng)力為292.6 MPa，最大應(yīng)力為后部支腿支撐位置、靠近架設(shè)邊梁方向的下弦桿局部應(yīng)力；此時(shí)腹桿的最大應(yīng)力為194.4 MPa，中支腿的最大應(yīng)力為142.8 MPa，縱移行車的最大應(yīng)力為40 MPa，均小于極限應(yīng)力235 MPa。

當(dāng)整機(jī)過孔，并且主橫梁處于最大懸臂狀態(tài)，前部臨時(shí)支腿剛好要站位時(shí)，整機(jī)最大應(yīng)力為139.7 Pa，最大應(yīng)力為前部支腿支撐位置的下弦桿局部應(yīng)力。主橫梁前部臨時(shí)支腿位置下?lián)?60 mm，前部臨時(shí)支腿與前部中支腿的間距為30 282 mm，跨中撓度值160/30 282=1/189，滿足架橋機(jī)功能性設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語

本文利用大型有限元分析軟件Femap with NX Nastran建立了U梁架橋機(jī)整機(jī)計(jì)算模型，對(duì)運(yùn)梁、架梁和整機(jī)過孔四個(gè)典型工況的金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得出該U梁架橋機(jī)的強(qiáng)度和剛度滿足要求，且有較大安全裕度，并對(duì)主橫梁、縱移行車、支腿等各個(gè)部件的建模和連接方法進(jìn)行了分析研究，可為同類產(chǎn)品有限元建模和設(shè)計(jì)提供參考。