李 毅，王 宇，劉 靜

(1．吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132021;2．吉林機(jī)械工業(yè)學(xué)校，吉林 吉林 132011)

0 前言

隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，客運(yùn)架空索道作為一種新型而方便的交通工具也日益發(fā)展成熟起來(lái)。而作為索道重要部件之一的線路支架的安全可靠直接關(guān)系到架空索道運(yùn)輸?shù)陌踩?。因此，?duì)客運(yùn)架空索道線路支架進(jìn)行強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性分析已經(jīng)成為設(shè)計(jì)、制造的關(guān)鍵。

對(duì)索道線路支架的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行計(jì)算的方法有兩種，一是用實(shí)體結(jié)構(gòu)解析法;二是將整個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為理想的數(shù)學(xué)模型，用離散化網(wǎng)格代替連續(xù)實(shí)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算的有限元法。解析法只能得到局部的應(yīng)力、位移情況，而無(wú)法了解線路支架受載時(shí)的整體應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)模。因此，設(shè)計(jì)時(shí)，只能根據(jù)計(jì)算結(jié)果加大安全系數(shù)。這樣處理，固然安全，但卻大大增加了不必要的材料消耗。有限元法正好克服了解析法存在的問(wèn)題。因此，本文采用參數(shù)化有限元分析法來(lái)處理某索道線路支架的計(jì)算問(wèn)題，計(jì)算軟件選用大型有限元分析軟件I－DEAS。

1 線路支架有限元模型的建立

本索道地處海拔3400～4400 m之間，線路分為下段和上段，形式均為單線固定抱索器脈動(dòng)循環(huán)式，線路最大運(yùn)行速度均為4.0 m/s。線路支架由塔柱、橫擔(dān)、扶梯等組成，是線路托(壓)索輪組及承載牽引索的安裝基礎(chǔ)和支撐體。14 m以下支架采用單柱圓管結(jié)構(gòu)，超過(guò)14 m的支架均采用三柱圓管鋼架結(jié)構(gòu)，下大上小，底部與混凝土基礎(chǔ)的預(yù)埋螺栓相聯(lián)。本文對(duì)索道上段5號(hào)三圓柱支架進(jìn)行分析計(jì)算，三圓柱支架主要部件采用的材料為Q235，其實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖1所示，機(jī)械特性見(jiàn)表1。

圖1 三圓柱支架實(shí)體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Physical structure mapping of three-column stand

表1 材料機(jī)械特性表Table 1 Mechanical characteristic of materials

1.1 線路支架的實(shí)體造型

實(shí)體建模的過(guò)程中，使用多個(gè)布爾運(yùn)算按歷程組成一個(gè)龐大的樹(shù)形圖，綜合線框模型、實(shí)體造型以及高級(jí)曲面造型進(jìn)行實(shí)體建模。建立了索道上段5號(hào)三圓柱支架的實(shí)體模型如圖2所示。

1.2 線路支架的有限元網(wǎng)格處理

由于三圓柱支架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為了便于網(wǎng)格劃分，本文在結(jié)構(gòu)離散化之前，對(duì)線路支架受載較小的局部區(qū)域作了一定簡(jiǎn)化。在不影響主要結(jié)構(gòu)研究的前提下，對(duì)支架做簡(jiǎn)化處理:(1)由于支架立柱各段連接處的法蘭采用高強(qiáng)度螺栓連接并進(jìn)行保護(hù)性施焊，故假設(shè)支架立柱各段間為剛性聯(lián)接，并不考慮結(jié)合面及聯(lián)接螺栓接觸面的相對(duì)變形。即將整個(gè)立柱作為一個(gè)整體進(jìn)行分析，如圖3所示。(2)忽略線路支架頭上的護(hù)欄以及立柱上的爬梯等附屬件?？紤]到支架的主體結(jié)構(gòu)是由細(xì)長(zhǎng)的空心管裝配成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，所以在建立模型時(shí)簡(jiǎn)化為梁?jiǎn)卧?，而筋板則簡(jiǎn)化為殼單元。

根據(jù)以上計(jì)算模型的處理方案，按不同部件確定單元材料，同時(shí)采用映射網(wǎng)格及自由網(wǎng)格劃分方法。考慮到支架立柱及拉桿較長(zhǎng)且規(guī)則，故利用映射網(wǎng)格方法，采用六面體實(shí)體單元對(duì)其進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，而?duì)其余形狀不規(guī)則的部分，利用自由網(wǎng)格劃分方法，采用四面體實(shí)體單元對(duì)輸入軸進(jìn)行有限元網(wǎng)格的自動(dòng)劃分，如圖4所示。

1.3 線路支架所受載荷

圖4 線路支架整體有限元網(wǎng)格Fig.4 Finite element grid of rout stand

線路支架的受力比較復(fù)雜，除自重外，還有兩側(cè)承載索產(chǎn)生的作用合力、支架及鋼絲繩所受風(fēng)力，索道運(yùn)行過(guò)程中，兩側(cè)重載和輕載交替出現(xiàn)，因此鋼繩對(duì)線路支架會(huì)產(chǎn)生附加彎矩。故對(duì)于受復(fù)雜載荷作用下的支架，如果對(duì)所有工況進(jìn)行分析計(jì)算，工作量太大，也無(wú)此必要。在某些情況下線路支架受力較小，在實(shí)際計(jì)算時(shí)只對(duì)受力較大的工況進(jìn)行分析計(jì)算。根據(jù)三圓柱線路支架分別在工作狀態(tài)及非工作狀態(tài)下承受長(zhǎng)度、寬度和高度三個(gè)方向集中載荷以及所受風(fēng)載情況，求解整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)力及變形。三圓柱支架受力工況見(jiàn)表2，受力情況如圖2所示。

表2 線路支架載荷工況表Table 2 Working condition list ofrout stand load

1.4 線路支架的約束及計(jì)算模型

本文只對(duì)線路支架進(jìn)行分析，不考慮地基等受力情況。根據(jù)實(shí)際約束狀況，將索道線路支架的約束加在其底座，將其完全固定。根據(jù)六種工況，分別加載。圖5與圖6分別為工況1、工況2加入載荷及位移約束邊界的有限元計(jì)算模型。

圖5 工況1的計(jì)算模型Fig.5 Calcultion model of working conditionⅠ

2 線路支架的有限元分析結(jié)果

利用I-DEAS軟件對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行有限元分析，結(jié)果用軟件中的后處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和圖形顯示。索道線路支架在六種載荷情況下的最大綜合位移、X向位移、Y向位移、Z向位移最大值見(jiàn)表3。

圖6 工況2的計(jì)算模型Fig.6 Calcultion model of working conditionⅡ

表3 線路支架最大位移Table 3 Maximum displacement list of rout stand

線路支架在六種工況下的各種應(yīng)力最大值見(jiàn)表4。綜合表3、表4的結(jié)果，綜合位移和等效應(yīng)力值都在設(shè)計(jì)許可的范圍里面，而且應(yīng)力和應(yīng)變都比較均衡，說(shuō)明這種三圓柱支架的結(jié)構(gòu)比較合理，是一種值得推廣的線路支架結(jié)構(gòu)。

表4 線路支架應(yīng)力最大值表Table 4 Maximum values of stress on rout stand

3 結(jié)論

從該條索道上段5號(hào)三圓柱支架的有限元分析過(guò)程和結(jié)果可以得出以下結(jié)論:

(1)架空索道線路支架的有限元分析對(duì)索道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是非常重要的，其計(jì)算結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)方案的確定有很大的參考價(jià)值。本文對(duì)架空索道線路支架的有限元分析方法進(jìn)行了較為詳細(xì)的討論，從力學(xué)模型的簡(jiǎn)化、工況約束處理等方面提出了切實(shí)可行的方法。

(2)從表3六種工況下線路支架的最大位移可以看出:由于采用了三圓柱支架結(jié)構(gòu)，線路支架在各個(gè)工況下的綜合位移相差不大。這表明此種支架的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于各種載荷的變形是比較穩(wěn)定的，這樣大大降低了材料的疲勞破壞，延長(zhǎng)了線路支架的使用壽命。

(3)從表4線路支架的等效應(yīng)力值看出:在工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)下，線路支架的等效應(yīng)力值分別幾乎相等，這說(shuō)明了三圓柱線路支架受力比較均衡。而工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)的等效應(yīng)力值相差并不很大，避免了對(duì)鋼絲繩和線路支架的破壞。

［1］ 張繼紅．計(jì)算機(jī)輔助工程CAE中有限元分析［J］．四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，16(3):98－103．

［2］ 孫少軍，張俊紅，程曉鳴．基于計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)技術(shù)的凸輪軸應(yīng)力分析［J］．現(xiàn)代車用動(dòng)力，2005(4):14－17．

［3］ 于鈞，王宇．基于ANSYS架空索道塔架的有限元分析計(jì)算［J］．重型機(jī)械，2010(3):60－63．

［4］ 萬(wàn)鵬程陳劍．利用CAE方法分析某客車整車共振問(wèn)題［J］．噪聲與振動(dòng)控制，2007(1):54－56．