有限元分析在工程机械钢结构设计及结构优化中的应用

发布时间：2016-11-01 07:30

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第＾章隧道衬砌台年结构优化啦“

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圈６．７门架等效应变云图

由图可知：门架的最大应力为１４８ＭＰａ，由于门架采用Ｑ２３５材料，其许用应力ｐ】＝１６０ＭＰａ。故满足强度要求。最大变形量为８１７ｍｍ，由于目前投有设计标准，对门架刚度的要求以满足实际施工质量要求为设计条件。根据某公司提供的施工质量要求，其改进后的门架刚度可满足实际旄工质量要求。因此，上述门架的改进方案符合实际工程要求，即达到了优化的目的。

在对隧道衬砌台车模型进行优化分析的过程中，可以得出以下一些结论：

１．选择设计变量时，从理论的角度来讲，设计变量越多，则设计自由度越大，可供选择的方案越多，容易得到比较理想的设计方案。但这样会使设计问题复杂化，优化设计更困难。因此，在对隧道村砌台车的优化设计中，由于没有成熟的理论和经验来借鉴．本文最终确定了７个设计变量。根据某公司提供的实际施工经验，所选择的这７个设计变量在工程设计上是易于改变的，满足在选择设计变量时对问题全面综合考虑的要求。

２．在设置性能约束时，随着性能约束的增多，优化模型变得复杂，计算相对比较困难，有时甚至出现目标函数无法收敛。本文隧道衬砌台车的优化设计以满足某公司在铁路隧道施工中对其强度、刚度性能的要求为目标，从而确定出约束条件：最大应力小于Ｑ２３５的许用应力１６０ＭＰａ，最大变形量小于某公司给定值ｌＯｍｍ。

３．性能约束和设计变量的边界条件对优化的结果影响非常明显。如果边界条件定的不合适，目标函数和性能约束最后可能只达到局部最优值。在对隧道衬砌台车模型进行设计优化计算时，先确定了初始边界值，然后进行不断修改，反复进行试算，最总找出“

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隧道衬砌台车比较理想的边界条件。

４．在确定优化模型的目标函数、设计变量和性能约束时，必须逐渐改变数值及范围，反复试算，总结经验，从而寻找出比较理想的优化参数。

６．６本章总结

本章完成了隧道衬砌台车的优化设计，与其原有隧道衬砌台车相比，可以得到如下结果：

从各设计变量可以看到，由于应力有富裕，上横梁、下横梁、立柱等杆件的几何尺寸均有不同程度的减小或改变，其结构也有很大程度的简化。

从重量减轻的角度来说，与原有隧道衬砌台车相比，优化后大部分杆件的截面尺寸较以前的有所减小，并且门架的榀数也从六榀减到四榀，从而使其优化后的隧道衬砌台车质量得到相当的减轻。

对优化模型进行静强度分析，隧道衬砌台车金属结构的最大应力由１３０ＭＰａ增加到１４８ＭＰａ，充分利用了钢材料的强度。同时，隧道衬砌台车的应力、应变云图也更加均匀、合理。

优化分析结果为隧道衬砌台车质量轻量化和结构合理性设计提供了较可信的依据。现将优化后的设计变量列表如下：

设计变量的优化值及含义

优化后设计变量

墨表６．２变量含义模板厚度优化后值８ｍｍ

５０×５０ｘ６

Ｘ２模板加强筋角钢尺寸

台车门架的榀数

门架上横梁１５０ｃ钢高度

门架下横梁１４５ｃ钢高度

门架立柱１６３ｃ钢高度

门架斜撑杆１２５ｃ钢高度Ｘ３４榀５００ｒａｍＸ４４５０ｍｍＸ５６３０ｒａｍＸ６Ｘ，

●２５０ｍｍ

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结论与展望

结论

本论文采用有限单元法进行工程机械现代设计和优化研究。传统的设计方法设计效率低、目标不明确，在其它行业已广泛采用计算机辅助设计的时候，工程机械领域仍采用传统设计方法较多。本论文采用了目前工业界较为优秀的有限元分析软件ＭＳＣ／ＮＡＳＴＲＡＮ，ＭＳＣ／ＮＡＳＴＲＡＮ虽然在国际范围内得到了普遍的应用，但在国内应用的还不多。因此，ＭＳＣ／ＮＡＳＴＲＡＮ在工程机械设计及优化中的应用可以说是一种尝试和创新，希望能借此推动我国工程机械设计与生产的快速、健康发展。

通过本论文的研究，可得到以下主要结论：

１．在对某公路拼装式架桥机主梁钢结构的研究中，分别采用了计算机仿真分析和实测数据分析两种分析方法，很好的将理论和实践结合了起来。同时，两种数据的对比结果也充分说明了有限元ＭＳＣ／ＮＡＳＴＲＡＮ分析软件的可信性和准确性。

２．在对ＱＴＺ６３塔机超长附墙杆钢结构的设计中，通过采用ＭＳＣ／ＮＡＳＴＲＡＮ分析软件完成了两种拟定钢结构设计方案的静力学强度、刚度分析，从而比较其分析结果是否满足Ｑ２３５钢的性能要求。最终确定出一种满足Ｑ２３５钢性能要求及ＱＴＺ６３塔机施工要求的合理设计方案。

３．在对隧道衬砌台车钢结构的研究中，根据某公司的要求，完成了隧道衬砌台车在ＭＳＣ／ＮＡＳＴＲ．ＡＮ下的静力学强度、刚度分析。分析结果表明：最大应力值为１３０ＭＰａ，小于Ｑ２３５钢的许用应力，其应力分布比较集中，造成材料的浪费，最大应变值为５．０３，小于某公司的规定值１０ｍｍ。因此，该隧道衬砌台车还存在进一步优化的潜力，以便减轻重量，节省材料，提高经济效益。

４．在对隧道衬砌台车钢结构做进一步的优化研究中，根据优化设计理念，将隧道衬砌台车的模板厚度减小到８ｍｍ，门架榀数减小到４榀，同时对门架横梁及纵梁的截面做进一步的改进优化，并完成其有限元仿真计算。优化后的隧道衬砌台车的最大应力、应变值分别增大，但仍在规定的范围内，应力、应变云图也更加均匀、合理，从中可以看出钢结构优化不仅可以用来降低重量，也可用于优化应力和应变水平。

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展望

１．在公路拼装式架桥机的研究中，应对其整机的稳定性做进一步的分析和研究。２．在ＱＴＺ６３塔机超长附墙杆的设计研究中，应进一步加强有限元分析技术与试验的结合，提高仿真分析的精度。由于现实情况的限制，本文没有进行有关的试验测试。今后需要增加超长附墙杆应力、应变状态的实测环节。

３．在隧道衬砌台车的优化研究中，由于国内的研究起步较晚，没有真正成型的理论和经验可借鉴。本文的优化方案，以后应根据具体试验测试结果进行验证和调整，从而得出最佳优化方案。

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