钢结构优化的有限元

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1工程机械钢结构设计的特点

工程机械是指施工建设机械的总称，其种类繁多并且被广泛应用于城市建设、道路桥梁、农林水利、工业生产以及国防设施等领域。工程机械设备主要是由整体构架、控制系统、变速装置、传动机构、防护润滑等系统等部分组成。本文主要以公路架桥机为研究对象分析其钢结构的设计要点，其中公路架桥机的主体钢结构为横梁，传动机构为天车，主要控制系统包含液压系统和电气系统，公路架桥机的主梁是确保整个工程机械运作的重要组成部分，因此在进行主体钢结构设计时需要仔细分析主梁的结构受力特点。公路架桥机的主要工作原理是利用运梁车将需要安装的混凝土梁移动到公路架桥机的尾端，此时的混凝土梁和设置在架桥机两端的前后天车为公路架桥机纵向移动的配重。在运梁的过程中使用公路架桥机的液压控制系统将其纵向移动到桥梁待安装的部位，然后再使用前后天车分别吊起混凝土梁的前后端，运用电气控制系统调整天车运梁的平均速度确保其匀速地向前移动。当混凝土梁完全进入公路架桥机下方的轨道时，利用前后天车吊起混凝土梁继续纵向移动混凝土梁至公路架桥机前支腿和中支腿之间，此时收缩后支腿液压缸使后支腿离开地面，然后启动公路架桥机横向移动的控制系统，移动公路架桥机到混凝土梁安装位置，最后调整桥梁接口位置使混凝土梁安装就位。在安装混凝土梁的过程中，公路架桥机的主梁的钢制框架结构承担主要荷载，每一条钢梁的受力形变都关系着桥梁安装是否能够安全有效地进行，因此需要科学合理地判断钢结构的材料属性以及利用有限元分析的方法研究主梁框架结构的受力特点，从能够合理的优化公路架桥机的主梁钢结构，做到刚度和强度在稳步提升的前提下最大限度的节省资源。

2结构优化时的有限元分析

随着我国计算机技术的迅速普及和工程科技的快速发展，有限元分析在工程机械钢结构设计和优化的过程中起到了越来越重要的作用，尤其是在工程机械的自动化水平日益提高的今天，有限元分析已然成为了解决复杂的工程力学分析计算问题的首要途径。本文主要是以公路架桥机为例对其钢结构设计与结构优化时的有限元分析进行深入探讨。对公路架桥机进行有限元分析主要的方法包括，首先是要建立主梁框架结构的有限元模型，本文主要研究的软件是MSC/PATRAN，通过分析主梁框架结构的材料属性、单元选择以及网格划分进行几何建模，建立主梁框架结构的有限元模型；然后再使用MSC/PATRAN对初步建立的有限元模型进行强度、刚度分析，并且绘制出应力、应变力分布图，通过物理力学的分析方法判断钢结构的稳定性；最后根据MSC/PATRAN对有限元模型的分析结果对钢梁的框架结构进行更深层次的优化设计，以达到在实际生产制造中节省材料，实现高效节能的目的。总之可以将MSC/PATRAN进行有限元分析的基本程序概括为三个主要部分，即分析主梁钢结构的离散化、有限元计算以及对结果的优化处理。

对于公路架桥机主梁框架结构的有限元分析步骤具体如下所示：

1）通过MSC/PATRAN软件对主梁钢结构进行单元划分和插值函数的确定。由于公路架桥机主梁的横切面为箱型结构，在空间上可以划分为若干个箱型结构单元通过焊接连接而成，因此可以根据钢结构梁的结构几何特性、钢梁节点处的边界条件等情况，建立由各种单元组成的计算模型。在对公路架桥机的主梁进行有限元分析时，最关键的环节就是有限元的网格划分，因为网格划分的精度直接影响着有限元分析的精确度以及响应速度。要有效的控制网格的疏密程度，主要就是通过在主梁钢结构的各个部位采用不同大小的网格，这是为了适应计算数据的分布特点，在计算数据变化梯度较大的部位，为了较好地反映数据变化规律，需要采用比较密集的网格。然后再按照单元的性质和精度要求，写出表示单元内任意点的位移函数u（x、y、z），v（x、y、z），w（x、y、z）或者d＝S（x、y、z）a，通过单元模型进行有限元分析。利用钢结构梁的结构几何特性、钢梁节点处的边界条件写出以a表示的节点位移qe＝[u1、v1、w1、u2、v2、w2]T，然后再将公式转化为qe＝Ca，然后再由a＝C－1qe，并代入到d＝Sa，得到d＝SC－1qe＝Nqe，此公式是利用钢结构梁的结构几何特性、钢梁节点位移表示单元体内任意点位移的插值函数式。

2）进行主梁钢结构的单元特性分析，根据上面总结出的位移插值函数，由弹性力学中给出的应变和位移关系，可以计算出应变为：ε＝Bqe，在式中，B为应变矩阵，相应的变分为：δε＝δBqe，由物理关系可以得到应变与应力的关系式为σ＝Dε＝DBqe，其中D为弹性矩阵。

3）对单元特性分析的结果进行组集，把各单元按照节点组集成与原结构相似的整体结构，得到整体结构的节点力与节点位移的关系，即整体结构平衡方程组f＝Kq，其中K为整体结构的刚度矩阵，f为总体载荷列阵，q为整体结构所有节点的位移列阵。

4）对组集的结果进行有限元分析求解，在此过程中可以采用不同的计算方法解有限元方程，得出单元模型各节点的位移。在进行求解之前必须对结构平衡方程组进行边界条件处理，然后再接触节点位移q。计算单元模型的结构应力，如果需要求出单元模型的应力值，则在计算出各单元的节点位移qe后，自ε＝Bqe和σ＝Dε即可求出相应的节点应力。

根据公路架桥机主梁钢结构的施工情况对其进行实际强度、刚度检测，从而分析钢梁的框架结构的最大应力、应变情况，从而判断是否能够满足实际施工时的具体要求。在进行检测时对于测量的点位选择，应该能够代表主梁钢结构的真实使用情况以及一些主梁钢结构的集中受力部位，以便更加全面的考察公路架桥机主梁的工作状态，因此本文主要选取公路架桥机的主梁在悬臂状态（工况1）、运梁状态（工况2）以及架边梁状态（工况3）下的10个测量点，具体的检测数据如表1所示：由上表可知，工况1是指公路架桥机悬臂状态，其应力最小值是测试点4为0.28MPa，最大值是测试点8的151.3MPa，最大应力误差为4.0%，测试点分析对比如图1所示；工况2是指公路架桥机运梁状态，其应力最小值是测试点4为0.63MPa，最大值是测试点2的130MPa，最大应力误差为2.3%，测试点分析对比如图2所示；工况3是指公路架桥机架边梁状态，其应力最小值是测试点9为2.08MPa，最大值是测试点2的138.5MPa，最大应力误差为4.3%。利用有限元分析方法进行钢结构的优化设计是一种寻找最优设计方案的技术。通过MSC/PATRAN软件建立主梁钢结构的有限元模型。然后在对主梁有限元模型的工况强度以及刚度进行分析，通过在满足实际工作需求的前提下进行迭代计算。求得目标函数的极值，从而根据计算结果进行优化设计，并最终得到最优化的公路架桥机主梁的设计方案。因为采用有限元分析的方法能够非常快速有效的提升钢结构的设计效率以及质量，优化过程实质上就是在不断地进行分析、修正，需要对不同工作状态进行结构效应的有限元分析，并且同时进行优化参数的考量，逐步逼近最优设计的序列。基于MSC/PATRAN对公路架桥机的主梁进行有限元设计技术就是建立在有限元分析的基础上反复优化设计变量以满足状态变量限制条件下使目标函数逼近最小值。在通过有限元分析后得到公路架桥机主梁钢结构的应力分布以及应变产生的误差范围，就可以在实际设计之前对主梁钢结构进行更加有效、可靠以及准确地优化设计，从而为产品的定性提供更加合理有效的理论依据。

3结束语

综上所述，通过对工程机械进行受力计算，得到钢结构的最大应力分布以及应变值分布图，然后再从主梁钢结构的几何设计、结构构造、材料质量、有限元分析等方面对公路架桥机的主梁框架结构设计要点进行分析，具体包括定义单元类型、实体常熟以及材料特性、建立有限元模型、划分单元网格、确定边界条件。其中有限元计算程序包括计算单元刚度矩阵，然后利用矩阵组合成结构总体刚度矩阵、系统外载向量组合、线性代数方程求解、通过反算法求应力、应变、反作用力等将求解结果以各种不同方式的等位移图、等应力图显示出来。最后在确保公路架桥机主梁钢结构的刚度和强度的前提下，最大限度的减轻结构重量用更加优化的设计方法来提升公路架桥机主梁钢结构的稳定性以及经济性。