基于ABAQUS的模板台车承载结构强度分析

2018-12-03楼飞，关静

机电工程技术 2018年11期

楼飞，关静

（南京师范大学中北学院，江苏南京 210046）

0 引言

用于隧道壁面混泥土浇筑的模板台车是隧道施工过程中的重要工程机械设备。模板台车的基础底架和车辆行走平台是承载的关键部件，在整个隧道施工过程中，发挥着重要作用。其中，基础底架主要承载了模板台车的整体重量，车辆行走支架主要承载水泥搅拌车的满载载荷。在这类重载工况下，设备的安全显得尤为重要，针对初步设计的模板台车承载结构进行强度分析，确定结构极限应力的位置和数值，以便有针对性的提出结构优化方法和措施，对提高设备可靠性有着重要意义[1～4]。

由于模板台车承载结构并不是简单由型钢焊接得到的梁结构，内部有较多的加强筋板结构，对提高结构承载能力起到至关重要的作用。因此，较难运用理论公式来推导基础底架和车辆行走平台的内部受力情况。本文作者应用ABAQUS有限元分析软件，针对模板台车承载结构在满载情况下的强度进行分析，求解最大应力的分布情况，为承载结构的设计和优化提供参考[5～6]。

1 承载结构前处理

1.1 建立简化特征的三维模型

模板台车的承载结构主要是由工字钢、槽钢以及筋板焊接得到。为了提高网格质量和分析求解效率，需要对模型中不需要的特征进行简化，主要包括小孔、耳板、安装吊钩等。简化之后的基础底架、车辆行走平台及其装配得到的模型如图1、2所示。

图1 简化特征的组件三维模型

结合上图，对该承载结构的工作原理简述如下：基础底架通过行走轮（图中已简化）支撑在钢轨上，车辆行走平台通过支撑油缸和基础底架固连；当基础底架需要运动时，车辆行走平台处于空载状态，支撑油缸抬起车辆行走平台，底横梁离开地面；当基础底架运行到指定位置时，基础底架底螺杆放下进行锁紧，防止平台移动，支撑油缸放下车辆行走平台，底横梁将与地面接触，水泥搅拌车会驶上车辆行走平台以实现混凝土浇筑。

图2 简化特征的装配体三维模型

1.2 建立承载结构的有限元模型

由于该结构多采用型钢焊接而成，中间有较多的加强筋板结构，整体结构复杂，相互连接关系较多，需要利用HyperMesh[7]前处理软件进行手动六面体网格划分，以确保分析求解精度。建立承载结构的限元模型如图3所示。

图3 承载结构有限元模型

由于承载结构各个零件之间多通过焊接的形式进行连接，网格划分时，需要重点确保连接部位网格节点的连续性。如图3（d）所示，为模拟水泥搅拌车的自重对承载结构的影响，本文作者按照12轮水泥搅拌车底盘结构建立了12.00R20 20PR全钢载重子午线轮胎承载时的分布模型。

2 承载结构静载分析

2.1 静载工况

承载结构静载分析是指模板台车在停止状态下，满载时的受力情况。现结合图2、3说明如下：

（1）停止状态下，基础底架底螺杆放下进行锁紧，防止平台移动，支撑油缸放下车辆行走平台，底横梁将与地面接触；

（2）台车载荷200 t作用于基础底架主梁上，主梁下端通过4组行走轮和底螺共同支撑；

（3）车辆载荷通过车轮作用于车辆行走平台，通过底部横梁和支撑油缸共同支撑。

2.2 静载分析和结构改进

将前处理后的有限元模型导入ABAQUS求解，得到静载工况下的应力分布情况（图4）。可以发现，基础底架的最大应力出现在行走轮支撑处，存在应力集中现象，最大值为390.5 MPa，已经超出材料（Q235）的屈服极限235 MPa，车辆行走平台最大应力出现在底横梁，最大值为204 MPa，未超出材料（Q235）的屈服极限235 MPa。

图4 静载应力分布云图

针对基础底架强度不足的问题，需要对基础底架结构进行改进。观察发现，基础底架所承受载荷主要由两侧的主梁承担，主梁类似于简支梁，为提高强度，考虑在主梁的中间增加行走轮进行支撑。改进后的基础底架将由6组行走轮进行支撑，如图5所示，是利用ABAQUS求解结构改进后的基础底架的应力分布云图。改进后的最大应力减小为118.2 MPa，远小于材料的屈服极限。

图5 改进后基础底架应力分布云图

3 承载结构动载分析

3.1 动载工况

承载结构动载分析是指模板台车在启动状态下，满载时的受力情况。现结合图2、3说明如下：

（1）启动状态下，基础底架底螺杆收起，支撑油缸升起车辆行走平台；

（2）台车加速度即基础底架的加速度为

（3）相比于静载工况，基础底架除了承受台车整体200 t载荷之外，还要承受车辆行走平台的自重6 t。

图6 动载工况有限元分析

3.2 动载分析

动载工况对结构强度的要求要高于静载工况，因此，这里直接对改进后的基础底架结构进行有限元分析，如图6（a）所示，得到动载工况下的应力分布情况，最大应力出现在编号为175 702的单元。在整个加速过程中，该单元各个节点的应力值变化如图6（b）所示，最大应力为226 MPa，小于材料的屈服强度，同时，随着载荷加在过程，最大应力稳定在150MPa左右，远小于材料屈服强度，该结构强度能够符合使用要求。