探求隧道拱车钢结构优化设计

1隧道拱车车架钢结构特点

隧道拱车各榀车架由上纵梁、横梁、立柱、下纵梁、液压设备等部分组成。上纵梁、横梁、立柱、下纵梁均由12mm厚钢板焊接而成，横梁纵联和横梁斜联均为20b工字钢，上述各部分通过螺栓相互连接，液压缸和固定丝杠通过销轴与各上纵梁连接，如图1所示。

2隧道拱车车架钢结构有限元模型

在保证分析结果准确可靠的前提下，简化隧道拱车车架有限元模型，具体建模方案如下：1）车架各部分主尺寸均为其厚度的10倍以上，故选用壳单元（Shell281）对该钢拱车进行有限元分析［1］；1－固定丝杠；2－横梁纵联；3－横梁斜联；4－液压缸；5－上纵梁；6－横梁；7－立柱；8－下纵梁图1车架钢结构示意2）简化液压缸、固定丝杠和销轴，并选用刚性单元（MPC184）模拟。定义材料弹性模量为2×105MPa，泊松比为0．33，密度为7850kg／m3。划分网格生成车架钢结构有限元模型（图2），共包括49561个单元、144484个结点。

3分析危险工况并确定荷载和边界条件

相关理论分析表明：液压缸支撑隧道顶部，钢拱车被顶推移动时为危险工况。此外，由于摩擦力作用，与顶推液压设备接触的钢拱车车架所承担的负载最大，故选取处于该种工况下的车架为分析和优化对象。根据以上危险工况及车架钢结构特点，确定其荷载如表1所示。在顶推力作用下，应约束横梁与下1榀车架相互作用处Z方向的位移；在支撑力和自重作用下，应约束下纵梁销轴处X方向和Y方向上的位移。

4车架结构静力学分析

利用ANSYS13．0按以上危险工况加载求解可得车架钢结构等效应力分布情况（图3）和等效位移分布情况（图4）。图3表明：与顶推设备接触的横梁应力较大，最大等效应力为210．269MPa，发生在横梁弧形板和肋板焊缝处。图4表明：与顶推设备接触的横梁位移较大，最大等效位移为1．438mm，发生在弧形板下边缘。

5优化方案的确定和实施

5．1方案的确定

由车架钢结构有限元分析结果可知：除承载横梁弧形板和肋板焊缝处应力较大外（表2），关键部位最大应力值仅为101．321MPa，由表3可知，横梁挠度值较大，其他关键部件挠度值较小，可见该隧道拱车钢结构的强度、刚度均有较大储备。笔者采用改变相应钢材厚度来提高车架钢结构整体力学水平的结构优化方案［2］。

5．2方案的实施

结合分析结果和设计经验，现将横梁腹板、弧形板、肋板的钢板厚度增加2mm，上翼板钢板厚度减小2mm，销轴耳板钢板厚度减小4mm，其他部分钢板厚度减小6mm。通过ANSYS13．0前处理器更改相应壳单元（Shell281）实常数来实现对车架钢结构的优化。求解并根据分析结果验证方案的正确性和合理性。

5．3优化结果分析

优化后车架钢结构等效应力分布情况如图5所示，等效位移分布情况如图6所示。优化前后关键部位最大等效应力见表2，关键部件最大挠度见表3，车架钢结构分析结果见表4。优化结果表明：承载横梁弧形板和肋板焊缝处等效应力最大，其值为193．429MPa（图5、表4），考虑到实际焊缝将予以打磨，焊缝处呈圆角过渡，实际应力值应比此处应力值小［3］。承载横梁弧形板下边缘等效位移最大，其值为1．566mm（图6、表4）。考察优化后车架钢结构有限元分析结果可知：调整车架钢结构板材厚度后，其强度和刚度虽略有下降，但均在许用值范围之内，且车架整体等效应力和相对挠度分布较优化前均匀，从而提高了整车材料的利用率。由表4可知，车架质量降低了32．50％，最大等效应力降低了8．17％，最大等效位移增加了8．90％。虽承载横梁弧形板与肋板焊缝处和上纵梁销轴耳板强度满足工程要求，但为了提高整车使用寿命，应通过改善焊接工艺的方式予以加固。

作者：许睿 谷立臣 韩应飞 单位：西安建筑科技大学机械电子技术研究所