【導(dǎo)讀】性檢查作業(yè)的專用車輛，主要用于橋梁的流動檢測及維修作業(yè)。檢測臂是橋梁檢測車的重要。了解實際工程中橋梁檢測車的類型、分類及其應(yīng)用；采用ANSYS分析和計算實際檢測車檢測臂模型在各種載荷組合下應(yīng)力曲線。按研究計劃獨立完成各項任務(wù)。通過查閱資料和ANSYS軟件應(yīng)用，擴大知識面，提高。獨立工作所需的自學(xué)能力、分析和解決問題的能力；熟悉相關(guān)的有限元理論和ANSYS結(jié)構(gòu)分析軟件的應(yīng)用，具有較強的程序調(diào)試能力；《起重機設(shè)計規(guī)范》；《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》；袁海慶,蔣淪如.有限元理論及工程實踐實用[M].武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社,1996.第8周—第14周：采用ANSYS進行建模分析，并分析各因素的影響；臂進行了有限元分析，通過分析檢測臂受力及位移變化情況來驗證檢測臂結(jié)構(gòu)安全性。這種車輛一般是在二類貨車底盤基礎(chǔ)上加裝專用工作裝置而成的。檢測臂單元離散化過程，首。界、形狀要求較高。劃分網(wǎng)格時應(yīng)在保證精度條件下盡量減少網(wǎng)格數(shù)量。

　　

【正文】 ? ymax EPELBYB = KZ? ymin EPELBZT = KY? zmax EPELBZB = KY? zmin 這里 EX、 KY 和 KZ 是總應(yīng)力和曲率（ SMISC 數(shù)值是 21 和 22） 石家莊鐵道 大學(xué) 畢業(yè)論文 17 輸出的應(yīng)力僅僅對于單元的彈性行為嚴(yán)格有效。 BEAM188 總是組合應(yīng)力來支持非線性材料的行為。當(dāng)單元和非線性材料相關(guān)的時候，組合應(yīng)力最好作為線性近似來對待，應(yīng)該謹(jǐn)慎的說明。 單元運用以下符號輸出定義表格： 在 name 列的冒號表示該項目可以 通過構(gòu)成名字的方法來獲得。第 0 列表示該項有效的說明在文件 中 。 R 列表示該項的結(jié)果顯示在 results 文件中。 無論在 0 還是 R 列中， Y 表示該項一直是可用的。數(shù)值表示描述哪里該項是選擇性提供的腳注，－表示該項不提供。 剪切應(yīng)力由扭轉(zhuǎn)和橫向荷載引起。 BEAM188/BEAM189 基于一階剪切變形理論，和廣泛知道的鐵木辛哥梁理論。橫向剪切應(yīng)變對于截面是常數(shù)，因此基于橫向剪應(yīng)力剪切能量。建立通過提前確定的梁橫截面剪應(yīng)力分布系數(shù)重新分布，可用于輸出的目的。默認(rèn)， ANSYS 將僅僅輸出扭轉(zhuǎn)荷載 導(dǎo)致的剪應(yīng)力， keyopt(4)用來激活由屈曲和橫向荷載引起的剪切應(yīng)力的輸出。 橫向剪應(yīng)力的分布的精度和截面模型的單元劃分精度直接成比例關(guān)系（為了定義翹曲、剪切重心和其他截面幾何屬性）。截面邊緣的牽引自由狀態(tài)僅僅在截面定義合適的模型適用。 默認(rèn)的， ANSYS 運用劃分網(wǎng)格的密度（對于截面模型）， 這個密度提供扭轉(zhuǎn)硬化、翹曲硬化和慣性屬性、剪切中心定義的精確結(jié)果。默認(rèn)的網(wǎng)格劃分運用對于非線性材料的計算也是合適的。然而，如果由橫向力引起的剪應(yīng)力分布如果要十分精確的捕捉的話需要更多的截面模型的定義。注意：增加截面網(wǎng) 格劃分的尺寸，并不是導(dǎo)致更大的計算量，如果相關(guān)的材料是線性的話。 Sectype 和 secdata 命令描述允許定義截面網(wǎng)格劃分的密度。 橫向剪應(yīng)力分布計算忽略了泊松比的效應(yīng)。泊松比對剪切修正因子和剪切應(yīng)力分布有 輕 微的影響。 BEAM188 Assumptions and Restrictions BEAM188 假定和約束 梁不能 0 長度 默認(rèn)的（ keyopt（ 1）＝ 0）翹曲約束效應(yīng)假定為忽略的。 截面失效和折疊不計算。 轉(zhuǎn)動自由度在集中質(zhì)量矩陣時不計算，如果存在偏移的話。 對于土木工程建立框架模型和典型多層結(jié) 構(gòu)模型而言每個構(gòu)件運用單一單元時一種普通的實踐。因為橫向位移的三次插值， BEAM4 和 BEAM44 對于這樣一種方石家莊鐵道 大學(xué) 畢業(yè)論文 18 法更合適。然而，如果 BEAM188 需要有那樣的需要，確定對于每個構(gòu)件運用幾種單元。 BEAM188 包括橫向剪力的效應(yīng)。 單元采用完整的牛頓－拉夫森方法計算最好（那是默認(rèn)的計算控制選項）。對于非線性問題，那由大轉(zhuǎn)動決定，要求不可以使用 pred， on。 注意僅僅可以分析適當(dāng)厚度的梁。參考 BEAM188 Input Data來獲取更多信息。 當(dāng)一種截面有多種材料復(fù)合的時候， /eshape 用來提 出應(yīng)力等值線（和其他數(shù)值）， 單元平均通過材料邊緣的應(yīng)力。為了限制這樣的行為，在材料周圍運用小截面元。沒有輸入選項來通過這樣的行為。 當(dāng)用 SSTIF， ON 定義應(yīng)力強化時，在幾何非線性分析（ NLGEOM， ON） 適用。在幾何線性分析中是忽略的 (NLGEOM,OFF)。預(yù)應(yīng)力可以通過 pstres 命令激活。 開始建模 有限元分析的最終目的是要還原一個實際工程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)行為特征，換句話說分析必須是針對一個物理原型準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。從廣義上講，模型包括所有的節(jié)點、單元、材料屬性、實常數(shù)、邊界條件，以及其它用 來表現(xiàn)這個物理系統(tǒng)的特征。在 ANSYS術(shù)語中，模型生成一般狹義地指用節(jié)點和單元表示空間體域和系統(tǒng)的連接生成過程。因此，在這里討論的模型生成是指，模型和節(jié)點單元的幾何造型。 可以用兩種方法來生成模型：實體建模和直接生成。對于實體建模，需要描述模型的幾何邊界，建立對單元大小及形狀的控制，然后令 ANSYS 程序自動生成所有的節(jié)點和單元。與之對比，用直接生成方法，在定義 ANSYS 實體 模型 之前，必須確定每個節(jié)點的位置，及每個單元的大小、形狀和連接。盡管有些數(shù)據(jù)自動生成是可能的，直接生成方法基本上是依次傳遞的，這種方法要求 在建立有限元網(wǎng)格時記錄所有的節(jié)點號。這種詳細的記錄對于大模型來說是乏味的，并很可能出錯。實體建模一般比直接生成方法更加有效和通用，是一般建模的首選方法。 建模在 ANSYS 系統(tǒng)中包括廣義與狹義兩層含義，廣義模型包括實體模型和在載荷與邊界條件下的有限元模型，狹義則僅僅指建立的實體模型與有限元模型。建模的最終目的是獲得正確的有限元網(wǎng)格模型，保證網(wǎng)格具有合理的單元形狀，單元大小密度分布合理，以便施加邊界條件和載荷，保證變形后仍具有合理的單元形狀，場量分布描述清晰等。 1. 建立實體模型的兩種途徑 (1) 利用 ANSYS 自帶的實體建模功能創(chuàng)建實體模型； (2) 利用 ANSYS 與其他軟件接口導(dǎo)入其他二維或三維軟件所建立的實體模型。 2. 實體建模的三種方式 石家莊鐵道 大學(xué) 畢業(yè)論文 19 (1) 自底向上的實體建模 由建立最低圖元對象的點到最高圖元對象的體，即先定義實體各頂點的關(guān)鍵點，再通過關(guān)鍵點連成線，然后由線組合成面，最后由面組合成體。 (2) 自頂向下的實體建模 直接建立最高圖元對象，其對應(yīng)的較低圖元面、線和關(guān)鍵點同時被創(chuàng)建。 (3) 混合法自底向上和自頂向下的實體建模 可根據(jù)個人習(xí)慣采用混合法建模，但應(yīng)該考慮 要獲得什么樣的有限元模型，即在網(wǎng)格劃分時采用自由網(wǎng)格劃分或映射網(wǎng)格劃分。自由網(wǎng)格劃分時，實體模型的建立比較簡單，只要所有的面或體能接合成一體就可以：映射網(wǎng)格劃分時，平面結(jié)構(gòu)一定要四邊形或三邊形的面相接而成。 實體模型的建立與 CAD 軟件相似，利用點、線、面積、體積組合之后，由邊界來決定網(wǎng)格。確定了每邊單元數(shù)目和單元尺寸后， ANSYS 的內(nèi)建程序即能自動產(chǎn)生網(wǎng)格，即自動產(chǎn)生節(jié)點及單元，并同時完成有限元模型。自動網(wǎng)格建立法，對于復(fù)雜的系統(tǒng)有更好的效果，尤其對三維空間結(jié)構(gòu)體系的分析最為有用。 本文利用的是 ANSYS 自 帶的實體建模功能創(chuàng)建實體。 圖 24 模型示意圖 石家莊鐵道 大學(xué) 畢業(yè)論文 20 材料性質(zhì) 本模型用的是 BEAM188單元，檢測臂使用材料為 Q235 鋼，屈服極限 235MPa，密度為 7800kg/m3 ，楊氏彈性模量約為 210GPa，泊松比為 。 施加約束 在左端四個關(guān)鍵點施加 x、 y、 z 三個方向的約束，其余點不施加約束，整個檢測臂相當(dāng)于懸臂的桁架結(jié)構(gòu)。 圖 25 模型施加約束后示意圖 石家莊鐵道 大學(xué) 畢業(yè)論文 21 圖 26是整個模型中 的一個節(jié)點結(jié)構(gòu)示意圖 圖 26 節(jié)點示意圖 石家莊鐵道 大學(xué) 畢業(yè)論文 22 第 3章 橋梁檢測車檢測臂的靜力學(xué)分析 靜載荷簡述 結(jié)構(gòu)分析的定義：結(jié)構(gòu)分析是有限元分析方法最常用的一個應(yīng)用領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)這個術(shù)語是一個廣義的概念，它包括土木工程結(jié)構(gòu)，如 橋 梁和 建筑 物；汽車結(jié)構(gòu)，如車身骨架；海洋結(jié)構(gòu)，如船舶結(jié)構(gòu)；航空結(jié)構(gòu)，如飛機機身等；同時還包括機械零部件，如活塞，傳動軸等等。 靜力分析計算在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的效應(yīng)，它不考慮慣性和阻尼的影響，如結(jié)構(gòu)受隨時間變化載荷的情況?？墒牵o力分析可以計算那些固定不變的慣性載荷對結(jié)構(gòu)的影響 ， 如重力和離心力，以及那些可以近似為等價靜力作用的隨時間變化載荷 ， 如通常在許多建筑規(guī)范中所定義的等價靜力風(fēng)載和地震載荷。 下面是對本例的簡單描述 （ 1）鋼桁架用鋼材制造的 桁架 。工業(yè)與民用建筑的屋蓋結(jié)構(gòu)、吊車梁、 橋梁 和水工閘門等，常用鋼桁架作為主要承重構(gòu)件。最常采用的是平面桁架，在橫向荷載作用下其受力實質(zhì)是格構(gòu)式的梁。鋼桁架與實腹式的鋼梁相比較，其特點是以弦桿代替翼緣和以腹桿代替腹板，而在各節(jié)點處通過節(jié)點板 (或其它零件 )用焊縫或其它連接將腹桿和 弦桿互相連接；有時也可不用節(jié)點板而直接將各桿件互相焊接 (或其它連接 )。這樣，平面桁架整體受彎時的彎矩表現(xiàn)為上、下弦桿的軸心受壓和受拉，剪力則表現(xiàn)為各腹桿的軸心受壓或受拉。定義約束，檢測臂在工作時，前后兩節(jié)桁架是相互配合關(guān)系，檢測臂之間只有沿水平方向的的相互滑動，檢測臂的模型可以近似簡化為一端約束、另一端受載荷的情況，選擇桁架右端截面為受載截面，將桁架左端截面的 x、 y、z方向自由度進行約束。 （ 2）定義載荷，由于檢測車檢測臂工作時的載荷為自重、攝像設(shè)備的重量、桁架截面上的風(fēng)載及各種動載等，根據(jù)桁架的截面面積、長度及風(fēng)力大小可以確定桁架的載荷。桁架的重量可以在 ANSYS 求解程序中加入重力加速度，程序可以根據(jù)桁架的具體參數(shù)自動加載。而攝像設(shè)備的重量可以按集中載荷的方式施加在桁架的自由端。根據(jù)鋼結(jié) 構(gòu)設(shè)計有關(guān)規(guī)范，結(jié)合本地長期氣象記錄，可以確定工作狀態(tài)的風(fēng)載荷計算公式為： FW＝ APC AW ，其中： AP 為風(fēng)壓，一般工況下的風(fēng)壓為 250N/m2 ； WC 為風(fēng)力系數(shù)，一般取 WC 為 ； A 為桁架結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面積約為 2m 。 迎風(fēng)面的計 算方石家莊鐵道 大學(xué) 畢業(yè)論文 23 法為桁架結(jié)構(gòu)的實際投影面積 ，在檢測臂分析加載時對其有限元模型作了相應(yīng)的簡化：假定材料均勻分布各向同性，且不考慮桁架焊接處的材料特性變化；假定檢測臂有限元分析時在風(fēng)力較小的工況下。 分析加載 檢測臂的應(yīng)力分析 ANSYS可以用于求解很多類型的結(jié)構(gòu)問題，包括結(jié)構(gòu)靜力計算、結(jié)構(gòu)自振特性分析、結(jié)構(gòu) 動力時程分析等。有限元的靜態(tài)分析是基于線彈性理論的，在結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中，只要知道其應(yīng)力和屈服極限就能判斷材料是否會發(fā)生塑性形變。 單元類型選擇 BEAM188，運行 ANSYS軟件，進入前處理界面單擊 Preprocessor – Element Type雙擊 Add/Edit/DeleteAdd選擇 BEAM188。 材料屬性，定義恒定的各向同性材料屬性，設(shè)定 EX值為 210e9， PRXY值為 。 檢測臂桁架強度按第四強度理論為破壞準(zhǔn)則。 第四強度理論又稱為畸變能理論，其表述是材料發(fā)生屈服是畸變能密度引起的 ， 然后看看 強度條件的推導(dǎo)。 物體在外力作用下會發(fā)生變形，這里所說的變形，既包括有體積改變也包括有形狀改變。當(dāng)物體因外力作用而產(chǎn)生彈性變形時，外力在相應(yīng)的位移上就作了功，同時在物體內(nèi)部也就積蓄了能量。例如鐘表的發(fā)條 (彈性體 )被用力擰緊 (發(fā)生變形 )，此外力所作的功就轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)條所積蓄的能。在放松過程中，發(fā)條靠它所積蓄的能使齒輪系統(tǒng)和指針持續(xù)轉(zhuǎn)動，這時發(fā)條又對外作了功。 由于物體在外力作用下所發(fā)生的彈性變形既包括物體的體積改變，也包括物體的形狀改變，所以可推斷，彈性體內(nèi)所積蓄的變形比能也應(yīng)該分成兩部分：一部分是形狀改變 比能 md ，一部分是體積改變比能 mq 。在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，物體形狀的改變及所積蓄的形狀改變比能是和三個主應(yīng)力的差值有關(guān)；而物體體積的改變及所積蓄的體積改變比能是和三個主應(yīng)力的代數(shù)和有關(guān)。 在檢測臂左端施加固定約束后，在前后側(cè)面施加風(fēng)載分布壓力約為 2018N，在右端施加集中荷載。檢測臂受力最大部位在離左端約束最近點，由 Q235 鋼的屈服強度為 235MPa，依照桁架結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力按第四強度理論進行計算，取安全系數(shù)為 ，則檢測桁架的最大許用應(yīng)力為： ［ ? ］ = = （ 31） 第一種工況 首先在檢測臂模型右端施加 20kN集中荷載，方向豎直向下分布在四個關(guān)鍵點上。石家莊鐵道 大學(xué) 畢業(yè)論文 24 得到應(yīng)力分布圖如下： 圖 31 20kN x 方向正 應(yīng)力 圖 32 20kN y 方向正 應(yīng)力 石家莊鐵道 大學(xué) 畢業(yè)論文 25 圖 33 20kN z 方向正 應(yīng)力 圖 34 20kN 應(yīng)力 云 圖 石家莊鐵道 大學(xué) 畢業(yè)論文 26 檢測臂受力最大部位在離左端約束最近點，由 Q235 鋼的屈服強度為 235MPa，依照桁架結(jié) 構(gòu)許用應(yīng)力按第四強度理論進行計算，取安全系數(shù)為 ，則檢測桁架的最大許用應(yīng)力為： ［σ］ = = (32) 以上是檢測臂受到自重、集中荷載和風(fēng)載作用下得到的應(yīng)力圖，包括 X、 Y、 Z方向的正應(yīng)力和整體應(yīng)力。由應(yīng)力分析結(jié)果可知，檢測臂應(yīng)力最大值位 131 MPa，符合強度要求并且還可以承受更大的荷載。 第二種工況 下面將集中荷載增加到 50kN，再次用 ANSYS軟件進行應(yīng)力分析，得到 X、 Y、 Z方向的正應(yīng)力和整體應(yīng)力。如圖 圖 35 50kN x 方向正應(yīng)力