运梁车均载结构的建模方法

犬１７’　运梁车均载结构的建模方法　粟洪卫　（中铁十八局集团第一工程有限公司，陕西延安７１７４０８）　摘要：桥梁施工用运梁车为重载运输设备，承载能力重达数百吨，支撑轮胎组件多达数十个；为了保证轮胎　组件受力均匀，在车架和轮胎组件之间设置了液压悬挂均载装置；在对运梁车进行结构有限元分析时，如何模　拟液压悬挂装置的真实受力情况是科学建模的关键问题之一。提出了液压悬挂均载装置的有限元建模方法。　计算结果表明，所提方法能准确反映实际情况，提高运梁车结构强度与变形计算的准确性。　关键词：运梁车；液压悬挂；均载；有限元分析　ＤＯＩ：１０．１３２１９／ｊ．ｇｊｇｙａｔ．２０１７．０２．０１１　中图分类号：Ｕ４４５．３　文献标识码：Ａ文章编号：１６７２—３９５３（２０１７）０２—００４０—０３　运梁车是铁路、公路桥梁施工必需的大型施工　装备，承担着将预制箱梁从梁厂运输到架梁现场的　任务，运梁车大多采用轮胎式走行系统，所载预制箱　梁重量数百吨，该重量及运梁车本身自重通过几十　Ⅲ三个区域，如图１所示，其中Ｉ、Ⅱ区域分别包括　１Ｏ个液压悬挂装置，Ⅲ区域包括２Ｏ个液压悬挂装　置，通过液压阀控制保证区域内油缸的压力腔相通，　使得区域内的液压悬挂装置的支撑力相同。每一区　域内液压悬挂装置或轮胎组件的支撑力合力位于区　域内所有液压悬挂位置的形心，３个区域的形心形成　典型的“三点支撑”形式，对于空间平行力系就是一静　定系统，各液压悬挂轮胎组件的支撑力是明确的。　动力部分　个轮胎组件支撑并行驶于路面。为了保证各轮胎均　匀受载，避免单胎受载过大引起爆胎等安全问题，运　梁车的轮胎组件与运梁车车架之间设置了悬挂系　统，通过液压均载装置将多支点支撑的超静定问题　转化为静定问题［１　］。对运梁车结构进行有限元建　模计算时，必须实现多支点均载支撑情况，才能准确　计算运梁车结构的强度和变形。一般情况下用有限　元软件对运梁车建模时，将支撑设为位移约束，这种　处理方法往往要经过多次迭代计算才能基本保证各　支撑载荷趋于均匀。本文提出了一种运梁车支撑结　构的建模方法，采用该方法只需一次有限元建模计　算就能保证各支撑受载均匀，提高了结构强度、变形　计算的准确性。　主梁（ａ）立面图　横梁　１　运梁车的液压均载结构　图１为某运梁车的主体结构，主要包括主梁、横　梁、轮胎组件、液压悬挂装置及动力部分，其中２Ｏ根　（ｂ）平面图　图１　运梁车主体结构　横梁通过螺栓连接固定于主梁，每根横梁两端通过　液压悬挂装置与轮胎组件相连。运梁作业时预制箱　梁通过连接装置放置于主梁，主梁承受的载荷通过　横梁、液压悬挂装置传递给轮胎组件。为了保证各　轮胎组件受力明确，将液压悬挂装置划分为Ｉ、Ⅱ、　收稿日期：２０１６－１１－１４　作者简介：栗洪卫（１９７３一），男，工程师，主要从事桥梁建造技术　２　运梁车的均载结构建模方法　根据运梁车的结构特点，运梁车的结构计算可　采用有限元分析软件建立梁单元结构模型完成，按　常规的建模方式，运梁车只建主梁及横梁模型，主梁　上施加预制箱梁自重载荷，设置边界条件时，将横梁　两端考虑为位移约束（通常设置为０）。这种建模方　式使得支座支撑结构成为高次超静定系统，计算结　果很难保证各支撑反力相同，与实际情况不一致。　与装备管理方面的工作。　国防交通工程与技术　＿２０１７第２期　・实例分析・　运梁车均载结构的建模方法　栗洪卫　为了保证区域内的液压悬挂支撑力相同，本文在用　运梁车主体结构的基础上，增加多层均载粱结构对　加任何位移约束。　表１　运梁车约束条件　节点　ｌ　支撑系统进行了合理处理，如图２所示。具体处理　方式如下：　向位移　Ｏ　Ｙ向位移　／０　ｉ０　向位移　０　／　｜　／　１　２　｜　Ｏ　２　｜　３　３　／　｛　ｆ０　｜　／　３　算例分析　按照上述建模方法，本文用ＡＮＳＹＳ有限元软　件建立了某运梁车的有限元模型，如图３所示，其中　圈２　运梁车支撑结构多层均载梁　主梁及横梁采用ＢＥＡＭ１８９单元，动力部分及预制　（１）对于Ｉ区域的液压悬挂装置，建立４层均载　梁，第１层均载梁分为５段，每段两端节点位置与横　梁端点重合（注意不是同一节点，而是同一位置的两　个节点），正中央位置设置节点与第２层或第３层均　载梁的端部节点重合，第２层或第３层中间设置节　点与第４层梁端部节点位置重合，第４层梁中间设　置节点１，第２、３、４均载梁的中间节点的位置位于　其向上所支撑的所有横梁端点的形心位置。Ⅱ区域　的液压悬挂装置的建模与Ｉ区域相同。对于Ⅲ区　域，建立５层均载梁，前４层与Ｉ区域、Ⅱ区域的建　模方法相同，第５层均载梁端部节点与两个第４层　梁的中间节点位置重合，第５层均载梁正中央位置　箱梁采用集中质量单元ＭＡＳＳ２１单元在质心建立，　通过ＲＢＥ３命令将ＭＡＳＳ２１单元的重力分配到安　装位置。本文中动力部分质量４０　ｔ，预制箱梁重量　４５０　ｔ，各层均载梁采用ＢＥＡＭ１８８单元。由于均载　梁是为了实现均载功能人为添加，为了简单，建模时　可建在一条直线上；为了保证均载梁的刚度不影响　实际结构的变形计算结果，应使均载梁的刚度远大　于主体结构刚度。本文将均载梁弹性模量设定为　２０６×１０。ＧＰａ，弹簧采用ＣＯＭＢＩＮ１４单元（模型中　未显示），建模时所采用的材料特性参数见表２。运　梁车自重载荷由软件按分布载荷自动施加，计算完　成后提取横梁端部节点．ｙ向剪力即为液压悬挂系统　设置节点３。建模时第１～４层均载梁在一条直线　上，为了说明问题，图２将各层均载梁展开绘制。　（２）在３个区域的底部支撑节点１、２、３的正下　方建立节点１　、２　、３　，１—１　、２—２　、３—３　建立弹簧　单元，１—１　、２—２　之间弹簧刚度为单个轮胎组件刚　度的１０倍，３—３　之间弹簧刚度为单个轮胎组件刚　度的２０倍。　（３）横梁端点与第ｌ层均载梁端点节点、第１～　４层均载梁的中间节点与下层端点相同位置的节点　的支撑力。表３为仅考虑运梁车及所载预制箱梁自　重载荷的计算结果，计算结果表明区域Ｉ与区域Ⅱ　的支撑力相同，区域Ｉ与区域Ⅱ总支撑反力略小于　计算出的约束反力，二者之差为建模时增加的均载　梁自重；由于区域Ⅲ的后部安装有动力系统，整个运　梁车的质心略偏向于区域Ⅲ，区域Ⅲ的单点支撑力　大于区域Ｉ与区域Ⅱ的单点支撑力。　｜＿－　（ｂ）横梁模型　皆采用节点耦合方式建立约束关系，耦合时只要求　具有相同的线位移，转动自由度不进行耦合。　（４）各层均载梁的刚度远大于运梁车横梁、主梁　（ａ）总体模型　（ｃ）主梁模型　（ｄ）均载梁模型　刚度，保证计算得到的均载梁的位移与主梁、横梁结　构位移相比忽略不计。　（５）为保证支撑系统为静定系统，根据图２所示　图３　运梁车有限元模型　表２　运梁车材料特性参数　坐标系，对１、１　、２、２　、３、３　建立约束条件（见表１），　其中０表示施加的位移约束为不变值０，／表示不施　国防交通工程与技术　＿　２ｏｌ７第２期　・实例分析・　运梁车均载结构的建模方法　栗洪卫　表３　运梁车支撑反力Ｎ　反力，保证运梁车结构强度及变形计算的准确性。　参考文献　Ｅ１３马玉敏．简述９００　ｔ运梁车结构与技术特点ＥＪ］．建筑机械　化，２０１０（０４）：５７—５８　［２］王金祥，江创华，杨　超．９００　ｔ运梁车悬挂系统的特点　４　结束语　Ｉ－Ｊ］．工程机械，２００７（Ｏ５）：２１—２４　Ｅ３３陈小重．９００　ｔ运梁车液压系统分析［Ｊ］．机械工程与自动　本文提出了重载运梁车液压均载装置的有限元　化，２００８（０５）：８７—８８　建模方法，通过该方法能够准确计算运梁车的支撑　Ｏｎ　ｔｈｅ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｌｏａｄ－Ｅｑｕａｌｉｚｉｎｇ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｆｏｒ　Ｇｉｒｄｅｒ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔｉｎｇ　Ｖｅｈｉｃｌｅｓ　Ｌ１　Ｈｏｎｇｗｅｉ　（Ｔｈｅ　Ｆｉｒｓｔ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏ．Ｌｔｄ．ｏｆ　ｔｈｅ　１８ｔｈ　Ｂｕｒｅａｕ　Ｇｒｏｕｐ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ，Ｙａｎ＇ａｎ　７１７４０８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｇｉｒｄｅｒ—ｔｒａｎｓｐｏｒｔｉｎｇ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｂｒｉｄｇｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｈｅａｖｙ－ｄｕｔｙ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｗｈｏｓｅ　ｃａｒｒｙｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｉｓ　ｕｐ　ｔｏ　ｈｕｎｄｒｅｄｓ　ｏｆ　ｔｏｎｓ，ａｎｄ　ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ｔｅｎｓ　ｏｆ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｔｉｒｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｍａｋｅ　ａｌｌ　ｌｏａｄｓ　ｕｎｉ—　ｆｏｒｍｌｙ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ａｌｌ　ｔｈｅ　ｔｉｒｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ａ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃａｌｌｙ　ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ　ｌｏａｄ－ｅｑｕａｌｉｚｉｎｇ　ｄｅｖｉｃｅ　ｉｓ　ｐｒｏｖｉｄｅｄ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｆｒａｍｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｉｒｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．Ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｓ　ｍａｄｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｉｒｄｅｒ　ｃａｒｒｙｉｎｇ　ｖｅｈｉｃｌｅ，ｈｏｗ　ｔｏ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｒｅａｌ　ｆｏｒｃｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃａｌｌｙ　ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ　ｄｅｖｉｃｅ　ｂｅｃｏｍｅｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｉｎ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ．Ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃａｌｌｙ　ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ　ｌｏａｄ　ｅｑｕａｌｉｚｉｎｇ　ｄｅｖｉｃｅ．Ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ　ｒｅｆｌｅｃｔ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃ—　ｔｕｒａｌ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｇｉｒｄｅｒ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔｉｎｇ　ｖｅｈｉｃｌｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｇｉｒｄｅｒ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔｉｎｇ　ｖｅｈｉｃｌｅ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃａｌｌｙ　ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ；ｌｏａｄ－ｅｑｕａｌｉｚｉｎｇ；ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　（上接第２３页）ｔｈｅ　ｈｉｇｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｂｏｌｔｓ　ｉｓ　ｏｖｅｒｃｏｍｅｄ，ｔｈｅ　ｊｏｉｎｅｄ　ｊｏｉｎｔｓ　ｂｅｇｉｎ　ｔｏ　ｓｈｏｗ　ｔｈｅ　ｓｅｍｉ－ｓｔｉｆｆ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｊｏｉｎｅｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｂｅａｍ　ｂｅｇｉｎｓ　ｔｏ　ｄｅｃｒｅａｓｅ　ｇｒａｄｕａｌｌｙ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｅｍｉｓｅ　ｏｆ　ｍｅｅｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｂｅａｍ　ｉｎ　ｂｏｔｈ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ，ｔｈｅ　ｒａｔｉｏｎａｌ　ｓｅｍｉ—ｒｉｇｉｄ　ｊｏｉｎｉｎｇ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｓｔｅｅｌ　ｇｉｒｄｅｒ　ｍａｙ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｇｉｒｄｅｒ　ｌａｒｇｅｒ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｍａｙ　ｓｅｒｖｅ　ａｓ　ａ　ｕｓｅｆｕｌ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａｎｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｓｔｅｅｌ—ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｂｅａｍｓ　ｗｉｔｈ　ｍａｉｎ　ｓｔｅｅｌ　ｇｉｒｄｅｒｓ　ｊｏｉｎｅｄ　ｔｏｇｅｔｈｅｒ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｂｏｌｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｏｕｂｌｅ－ｄｅｃｋ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｂｅａｍ；ｍａｉｎ　ｓｐｌｉｃｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ｇｉｒｄｅｒ；ｂｅａｒｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ；ｍｏｍｅｎｔ－ｒｏｔａｔｉｏｎ　ｃｕｒｖｅｓ　（上接第３　９页）ｔｈｅ　ｏｂｊ　ｅｃｔ　ｏｆ　ｏｕｒ　ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｔｈｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ，ｄｙｎａｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｉｋｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｅａｍ　ａｒｅ　ｓｔｕｄ～　ｉｅｄ　ｂｙ　ｂｏｔｈ　ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｉｒｅ－ａｎｄ－ｄｅａｄ　ｌｃａｄ　ｔｅｓｔｓ　ｏｆ　ｒｅａｌ　ｂｒｉｄｇｅｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｏｕｒ　ｒｅ～　ｓｅａｒｃｈ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｒｉｄｇｅ　ｃａｎ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｈｅａｖｙ－ｌｏａｄ　ｒａｉｌｗａｙｓ，ｂｕｔ　ｔｈｅ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｉｎ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｆｏｒ　ｓａｆｅｔｙ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔ．Ａｓ　ａ　ｒｅｓｕｌｔ，ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｕｒｓｅ　ｏｆ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｇｒｅａｔｅｒ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｐａｉｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｓｕｃｈ　ｂｒｉｄｇｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：１２一ｍ　ｌｏｗ－ｈｅｉｇｈｔ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｅａｍ；ｈｅａｖｙ－ｌｏａｄ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉ０ｎ；ｂｅａｒｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ；ｌｉｖｅ　ａｎｄ　ｄｅａｄ　ｌｏａｄ　ｔｅｓｔｓ　ｏ●＜＞●＜＞●＜＞●０●＜＞●ｏ●０●０●＜＞●ｏ●＜＞●＜＞●（　●０●０●＜＞●ｏ●０●＜＞‘　封面照片说明　中铁十八局承建的福（州）平（潭）铁路闽江特大桥全长２　５６３．５１　ｍ，紧邻福厦铁路闽江特大桥。　（伍　振摄影）　３　．＜＞．ｏ．＜＞．ｏ．（）．。．．　：，．　国防交通工程与技术　＿２ｏ１７第２期