【正文】 20 材料屬性 24 各部件間連接處理 26 銷軸連接方式處理 27 滑塊連接方式處理 28 回轉支撐連接處理 29 滾輪連接處理 29 模擬工況 30 約束及加載 32 32 施加載荷 33 計算結果分析 33 整機靜力剛度計算 33 強度分析 37 本章小結 39第4章 橋檢車上車模態(tài)分析 41 模態(tài)分析介紹 41 有限元模態(tài)分析的理論基礎 41 模態(tài)分析步驟 42 上車模態(tài)分析 43 上車分析模型 43 上車模態(tài)分析結果及振型分析 44 本章小結 48第5章 垂直臂結構有限元分析 49 QJS18C桁架式橋梁檢測車簡介 49 50 參數化有限元模型的建立 50 參數的選取 50 51 51 關鍵技術的處理 51 52 計算結果分析 53 本章小結 57第6章 伸縮臂及導向輪接觸分析 58 58 58 59 59 59 60 60 71 本章小結 75第7章 結構優(yōu)化計算 76 支腿的優(yōu)化計算 76 車架平臺的優(yōu)化計算 78 轉臺的優(yōu)化計算 83 基本臂伸縮臂的優(yōu)化計算 86 本章小結 93結 論 94參考文獻 96第1章 緒 論 課題研究意義橋梁建設是國家重要的基礎建設之一，橋梁工程是關系社會和經濟協(xié)調發(fā)展的生命線工程。如果不及時消除橋梁建設、運行中的安全隱患，勢必造成經濟和人員的巨大損失，而不合理的、過早的改造又是一項巨大的經濟負擔，并引發(fā)交通中斷等許多社會問題。橋梁試驗檢測為養(yǎng)護管理提供了直接的數據和依據，其工作涉及面廣，技術復雜，難度較高，采用先進的檢測設備則可大大提高檢測的精度和工作效率。由于需要搭設腳手架才能完成檢查工作，需要的人工也多。以搭設支架或船上搭架的方式對橋梁進行檢測，勢必對橋梁的通行孔或通航孔進行交通封閉。5）檢測范圍小。汽車底盤的良好機動性使得檢測者只需慢速移動底盤車而不用先將整套設備收回，這樣就可迅捷地到達橋梁的任何橋段。操作時只占用一個車道，對橋下的凈空影響也比較小，這樣就對交通的影響能減至最小。橋梁檢測車的應用，可以使我國的橋梁檢測有了更高的準確度，大大提高橋梁檢測能力，有效地實行橋梁動態(tài)數據管理，建立規(guī)范的橋梁檢查工作制度，根據道路等級制定檢測計劃，定期對橋梁進行檢查，發(fā)現問題及時處理并將檢查數據結果存入數據庫，以便隨時掌握橋梁實際工作狀況。工作時不影響交通而且可以在不收回臂架的情況下慢速行駛[8]。其結構小巧，受橋梁結構制約少，工作靈活，既可以檢測橋下也可以升起檢測橋梁上部結構，可有線/無線操作，靈活方便，有時候還可以作為高空作業(yè)車使用，價格相對桁架式橋梁檢測車低。橋梁檢測車技術含量很高，涉及到機械、液壓、電子、雷達、通信等先進技術。 意大利百靈（BARIN）公司意大利BARIN公司自20世紀60年代開始生產橋梁檢測車。客戶主要為德國、法國、瑞典、香港、新加坡和印度的鐵路運營商和鐵路公司，國際市場份額超過50%。 美國賽奔馳（Aspen Aerials）公司美國Aspen Aerials（賽奔馳）公司只生產折疊臂式橋檢車，主要產品型號有AAUB50、A6A75，~，~22m，~，吊籃最大承載質量272~318kg。具有獨特的剪臂式塔架系統(tǒng)專利技術，尾部可裝備舷外液壓拖鏈驅動裝置。最近幾年，國內一些大型工程機械廠家開始從事橋梁檢測車的研究，主要有徐工集團、湖南寶龍等，其產品和性能均能達到國外設備的標準。目前該集團已經形成9~22m桁架式系列產品，最大水平工作范圍9~，最大下橋深度6~，最大承載質量600~800kg，~，~。 湖南恒潤高科有限公司湖南恒潤高科有限公司，有多年的高速公路建設與養(yǎng)護經驗，是以提供滿足客戶需求的高品質道路養(yǎng)護機械為目標，集產品研發(fā)、制造、營銷為一體的專業(yè)化工程機械企業(yè)。國內設備大都采用國外進口元器件。相對來說，國外設備技術先進，性能穩(wěn)定，但價格昂貴，加上售后服務收費也高，綜合成本較高。 主要研究內容橋梁檢測車要載人，故它的結構安全性尤為重要，本文以QJS18C桁架式橋梁檢測車為研究對象，對整車結構的靜力學及動力學進行了深入研究，對關鍵部件進行優(yōu)化、改進和選型，主要研究內容有：1）建立了整車結構有限元模型，對10種工況下整車結構進行靜力學有限元分析，得到不同工況下各結構應力分布狀況和剛度信息。5）對關鍵部件進行優(yōu)化減重、改變不合理的設計、優(yōu)化選型等。第一回轉結構主要由回轉支撐、一回轉液壓缸以及底座等部分組成。第二回轉機構主要由回轉減速機、回轉支撐、二回轉體等部件組成。 轉臺結構轉臺結構主要由轉臺、轉臺基本臂、轉臺伸縮臂、配重塊、轉臺升降油缸、轉臺基本臂變幅油缸、轉臺伸縮臂伸縮油缸、配重翻轉油缸等組成。 垂直臂結構垂直臂為桁架結構，它主要功能是調節(jié)水平伸縮臂工作平臺的升降。2）底盤必須處于水平狀態(tài)，%。4）使用橋檢車進行橋梁檢測作業(yè)時應避開雷雨冰雹天氣。具體展開過程如下：橋檢車處于全縮狀態(tài)，如圖22所示。連接架翻轉至垂直臂垂直狀態(tài)，如圖26所示。水平伸縮臂（工作臺）旋轉至橋下，一伸臂全部伸，如圖29所示。工作裝置回收時，按照展開相反的動作順序進行。前處理功能ANSYS具有強大的實體建模技術。智能網格、自適應、局部細分、層網格、網格隨移、金字塔單元(六面體與四面體單元的過渡單元)等多種網格劃分工具，幫助用戶完成精確的有限元模型。此外，ANSYS還具有近200種單元類型，這些豐富的單元特性能使用戶方便而準確地構建出反映實際結構的仿真計算模型。目前，ANSYS軟件已經形成完善、成熟的三大核心體系：以結構、熱力學為核心的MCAE體系，以計算流體動力學為核心的CFD體系，以計算電磁學為核心的CEM體系。ANSYS的后處理分為通用后處理模塊和時間后處理模塊兩部分。對于小型、簡單的構件這種有限元建模方法效率非常高，最終也能完成計算，求得結果。（3）通過有限元分析軟件自帶的建模功能建立有限元模型，如ANSYS軟件提供的APDL參數化建模語言能夠完成各種復雜構件的有限元模型建立。建模時，首先選定整機的總體坐標系，根據各個部件在裝配體上的相對位置定義局部坐標系。對結構上的一些附加件在不影響整機受力的情況下進行省略，以便簡化有限元模型[11]。本文通過映射網格劃分方式，選用二次單元Solid186，獲得了很好的網格質量，較少的單元數量。90176。90176。90176。模型簡化首先要求對模型要有充分的理解，充分掌握上車部件各組成零件的功能。（2）各部件中包括的裝飾件一般都質量很小，將它們直接刪除。要在不改變設計者初衷并保證建模準確性的前提下，進行必要和合理的模型簡化。由于網格劃分工作量大，所考慮的問題較多，網格形式和網格劃分質量直接影響計算的準確性和計算效率，為建立精確合理的有限元分析模型，網格劃分應遵循以下幾個基本原則：（1）控制網格數量網格數量（即單元數量）直接影響計算結果的精度和計算效率。（2）確保網格質量網格質量主要是指網格幾何形狀的合理性。單元類型的選擇，跟要解決的問題本身密切相關。這種三維桿單元是桿軸向的拉壓單元，每個節(jié)點具有三個自由度：沿節(jié)點坐標系X、Y、Z方向的平動。2）Beam188單元描述Beam188為三維線性有限應變梁單元。本單元非常適合于線性、大角度轉動和/或非線性大應變問題。該單元有8個節(jié)點，單元每個節(jié)點有6個自由度，分別為沿節(jié)點X、Y、Z方向的平動及繞X、Y、Z軸的轉動（當應用薄膜選項時，該單元只有移動自由度）。4）Mesh200單元描述在建模過程中，為了方便網格劃分，采用Mesh200網格劃分單元，先將平面劃分成8節(jié)點四邊形網格，然后將平面單元通過拉伸、旋轉等操作生成20節(jié)點三維實體Solid186單元。單元通過20個節(jié)點來定義，每個節(jié)點有3個沿著X、Y、Z方向平移的自由度。圖35 solid186單元示意圖由于QJS18C的實際結構主要由鋼板焊接而成，且?guī)缀文Ｐ捅容^復雜故建立有限元模型的單元類型選擇二次實體單元Solid186。目標表面離散為一系列目標單元（TARGE170），并通過共享實常數號與相關接觸表面配對。該單元每個節(jié)點有三個自由度：沿節(jié)點坐標系X、Y、Z方向的平動。CONTA174單元描述如圖37所示。在整機靜力結構計算中有限元模型全部采用的是線彈性各向同性材料模型，涉及到的材料屬性見表33。組裝前首先要考慮各部件之間的實際連接方式，然后用合理的方式對各部件有限元模型的連接位置進行處理。 銷軸連接方式處理軸孔接觸問題一直是工程機械領域數值模擬的難點，按接觸問題計算，會增加計算時間，降低效率，且一般的工程機械裝置都有多個鉸接軸，形成多個接觸對，會導致問題求解困難。該結構在轉臺基本臂銷軸處利用實體單元建出銷軸的有限元模型。兩部分連接如圖316所示。連接時將滑塊與垂直臂接觸面上節(jié)點添加約束方程，釋放滑動方向上的自由度，約束其余兩個方向上的自由度，這樣模擬計算時允許滑塊與垂直臂之間有相對滑動，可以有效模擬滑動副。當對整機進行結構分析時在滾輪連接處添加約束方程來模擬滾輪的實際連接情況，此時我們關注的是橋檢車整車狀態(tài)下的應力、位移，因此可避免接觸計算。表35 QJS18C典型工況列表工況一工況二工況三工況四工況五工況六工況七工況八工況九工況十一回轉回轉角度（176。）90909090909090909090伸縮臂變幅角度（176。轉臺全部升起，配重翻轉角度為90176。工況二與工況一相比二回轉角度不同（工況一二回轉回轉角度為0176。工作臺與橋梁垂直。工況六、工況七、工況八、工況九、工況十內臂仰角為20176。 施加載荷在模擬時，不考慮外界的影響如風、溫度等。圖321 整機有限元結構靜力計算約束及加載示意圖 計算結果分析 整機靜力剛度計算在對整機模型進行分析時，整機在滿載作用下的最大等效位移是我們研究的重點。表36各工況最大向下位移列表工況一二三四五六七八九十最大向下位移(mm)374700412774382354590459659381，工況四時整機變形最大，工況六時變形最小。工況四最大向下位移比工況二稍大，工況五最大向下位移比工況一稍大，這說明當工作臺與垂直臂成相同角度時，二回轉在90~180176。不同工況下垂直臂等效位移分布圖如圖323所示。向90176。第四強度理論認為畸變能密度或形狀改變比能是引起材料屈服破壞的主要原因。 （）式中：為材料屈服強度（MPa），n為安全系數。 本章小結本章介紹了有限元分析軟件ANSYS，利用ANSYS軟件建立了橋梁檢測車各部分的有限元模型，采用不同的連接模擬將各部件組合成整機模型。模態(tài)是機械結構的固有震動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。因此，模態(tài)分析是結構動態(tài)設計及設備故障診斷的重要方法。 有限元模態(tài)分析的理論基礎具有有限自由度的彈性系統(tǒng)運動方程，可應用動載荷虛功原理推到出來，其矩陣形式為： （） 式中 —結構總質量矩陣；—結構總阻尼矩陣； —結構總剛度矩陣；—節(jié)點位移列陣；—節(jié)點速度列陣；—節(jié)點加速度列陣；—結構的激振力列陣。ANSYS 中的模態(tài)分析屬于線性分析，也就是說，在模態(tài)分析中只有線性行為是有效的，如果在分析中指定了非線性單元，在計算中將被忽略并被作為線性行為處理。ANSYS提供了7種模態(tài)提取方法，他們是子空間法（Subspace）、分塊法（Block Lanczos）、Power Dynamics法、縮減法（Reduced）、阻尼法（Damp）和QR阻尼法（QR Damp）非對稱法（Unsymmetric）。另外，還需要指定所需提取的模態(tài)階數。如果在模態(tài)求解階段包含了MXPAND命令，則程序將在求解模態(tài)的同時對指定模態(tài)進行擴展。另外，還可對結果數據進行列表或圖形顯示，通過顯示結構變形圖可以查看擴展的振型。在進行上車模態(tài)分析時只考慮上車結構體系的自重和位移約束，而不必涉及其他的載荷作用。橋檢車上車各工況前十階固有頻率，如表41所示表41 上車前10階模態(tài)的固有頻率工況序號一階頻率（HZ）二階頻率（HZ）三階頻率（HZ）四階頻率（HZ）五階頻率（HZ）六階頻率（HZ）七階頻率（HZ）八階頻率（HZ）九階頻率（HZ）十階頻率（HZ）12345678910通過計算得到所有工況下橋檢車上車前十階固有頻率振型。從表可以看出，一階模態(tài)和二階模態(tài)不會出現共振；三階模態(tài)和四階模態(tài)部分工況較容易觸發(fā)共振現象。模態(tài)分析的目的就是為了得到結構的固有頻率和振型，防止由于激勵頻率過于接近固有頻率而造成共振。；垂直臂最大升降高度達9m；工作平臺（基本臂和伸縮臂）可延伸至橋底18m。由于接觸問題是一種高度非線性行為，求解過程需要反復迭代計算。垂直臂結構如圖5