趙馭陽

( 河南省鄭州水利學校，鄭州450008)

針對水利工程施工中使用的一種鋼模臺車結(jié)構(gòu)進行有限元分析，通過使用SolidWorks 有限元插件，對模板主結(jié)構(gòu)強度進行校核，得出有助于工程實踐的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。

1 軟件簡介

SolidWorks 軟件具有強大的建模功能，其插件Cosmosworks 是功能強大的有限元分析軟件，經(jīng)過實踐檢驗，其數(shù)據(jù)可靠，具有實用價值。

2 分析過程

2.1 鋼模臺車介紹

鋼模臺車是一種為提高隧道襯砌表面光潔度和襯砌速度，并降低勞動強度而設(shè)計、制造的專用設(shè)備。有邊頂拱式、直墻變截面頂拱式、全圓針梁式、全圓穿行式等。采用鋼模臺車澆筑功效比傳統(tǒng)模板高30%，裝模、脫模速度快2 ～3 倍，所用的人力是過去的1/5。

全斷面針梁式混凝土襯砌鋼模臺車適應(yīng)于引水洞、導流洞等為全圓或橢圓的地下洞室的混凝土襯砌施工。

鋼模臺車主要由外模板、內(nèi)模板、臺車架和各種連接結(jié)構(gòu)幾部分組成。其結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 鋼模臺車主視圖

2.2 計算工況

此結(jié)構(gòu)計算時按下述工況計算:按照水泥完全澆筑又沒有凝固狀態(tài)。此時按液體壓力計算水泥對內(nèi)外模板以及內(nèi)部臺車架產(chǎn)生的力，此工況為最惡略工況。

2.3 載荷分析

計算時添加載荷主要為混凝土自重載荷，混凝土密度按照2.6 ×103kg/m3計算，混凝土模板所受壓力計算公式按照流體壓強計算。

由于模板結(jié)構(gòu)特性，對內(nèi)外模板側(cè)面添加壓強時，需要進行分段處理。

在外模處添加壓強如下，坐標系說明: 豎直向上為X 正方向，坐標原點設(shè)置在外模板最低處，按照此原點，將整個受力曲線分為以下3 段:

第一段受力點坐標:

第一段受力直線方程式:

第二段受力點坐標:

第二段受力直線方程式:

內(nèi)模處添加壓強如下，坐標系說明: 豎直向上為X 正方向，坐標原點設(shè)置在內(nèi)模板最低處:

2.4 材料性質(zhì)

提梁機主框架金屬結(jié)構(gòu)主材為Q235，彈性模量E =2.06e5 Mp，泊松 比 為0. 3，屈 服 極 限235 MPa，許 用 應(yīng) 力180 MPa，安全系數(shù)1.3。

2.5 有限元模型

本例采用SolidWorks 對鋼模臺車主結(jié)構(gòu)進行三維建模，計算過程中模型各個部分均與實際設(shè)備相應(yīng)，模型進行適度簡化:由于模架長度方向、寬度方向為對稱結(jié)構(gòu)，故只對其1/2計算，既不影響計算精度，又能提高計算速度及工作效率。具體模型及網(wǎng)格圖見圖2 ～圖7。

圖2 鋼模臺車結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖

網(wǎng)格結(jié)果: 節(jié)點數(shù)=916 652 單元數(shù)=449 510

2.6 計算及結(jié)果分析

2.6.1 模型計算

在臺車底部及模板底部施加固定約束，同時在內(nèi)外模板添加壓應(yīng)力，壓應(yīng)力分布為分段非均勻分布( 參考2.3 載荷分析中載荷分析) 。

圖3 應(yīng)力框架圖

圖4 變形云圖

2.6.2 結(jié)果分析

經(jīng)過以上計算可得出以下結(jié)論: 模板局部應(yīng)力較大( 如圖5、圖6) ，應(yīng)力集中主要分布在鋼筋張拉處以及模板拐角處，模板連接處加焊槽鋼; 張拉處鋼筋受張力大，應(yīng)力約為425 MPa。需要選用張拉鋼筋符合《預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋》( GB/T 20065—2006) 要求。此外鋼筋錨固處需進行加強處理;模板本身安全系數(shù)均＞1.33，安全。

圖5 鋼筋張拉處應(yīng)力集中圖

圖6 模板拐角處應(yīng)力

圖7 張拉處鋼筋壓力

另外通過對模板局部桿件進行了壓桿穩(wěn)定性校核，基本確定該模板滿足使用要求。

3 結(jié) 論

目前，該模板臺車已經(jīng)生產(chǎn)并投入使用，經(jīng)過使用未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效。由此可見，在工程機械的設(shè)計過程中Cosmos Works 起到了指導性的作用，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)校核以及產(chǎn)品設(shè)計都有借鑒性。

［1］徐格寧. 機械裝備金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，2009.

［2］成大先. 機械設(shè)計手冊［K］. 北京:化學工業(yè)出版社，2008.

［3］王志騫. 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］. 北京:科學出版社，2009.