畢業(yè)論文--基于ansys的橋梁檢測車檢測臂有限元分析

1、<p>　　2011 屆 工程力學(xué) 系</p><p>　　專 業(yè) 工程力學(xué) </p><p>　　學(xué) 號 </p><p>　　學(xué)生姓名 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　完成日期 2010年6月7

2、日</p><p><b>　　畢業(yè)論文任務(wù)書</b></p><p><b>　　畢業(yè)論文開題報告</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著我國公路橋梁事業(yè)的發(fā)展，新建高速公路及橋梁越來越多．同時既有的許多橋梁進入了養(yǎng)護維修階段，有關(guān)專家

3、認為橋梁使用25年則進入老化期，據(jù)統(tǒng)計，我國橋梁總數(shù)的40％已經(jīng)屬于此范疇，均屬老齡橋梁．而且隨著時間的推移，其數(shù)量還還在增長。近20年來，隨著橋梁檢測事業(yè)的飛速發(fā)展，新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝不斷涌現(xiàn)；同時橋梁結(jié)構(gòu)的使用荷載日益增大，大批既有橋梁進入老齡化期，為了確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全運營，對橋梁檢測工作提出了更高的要求，橋梁檢測工作亦有此愈發(fā)顯得重要。另一方面，隨著自動化技術(shù)的發(fā)展以及計算機的普及應(yīng)用，測試技術(shù)、分析手段也取得了長足進展。&

4、lt;/p><p>　　為了分析檢測臂的結(jié)構(gòu)性能，用ANSYS 對檢測臂進行了有限元分析，通過分析檢測臂受力及位移變化情況來驗證檢測臂結(jié)構(gòu)安全性。同時對檢測臂進行了模態(tài)分析，測出了其固有頻率和結(jié)構(gòu)振型，為檢測車工作時的穩(wěn)定性要求提供了參考。</p><p>　　關(guān)鍵字：橋梁檢測車 ANSYS 有限元分析</p><p><b>　　Abstract</b

5、></p><p>　　With the development of highway bridges，more and more highways and bridges have been built recently. At the same time many of the existing bridges have came into the stage of maintaining and re

6、pairing. Experts believe that the bridges enter the aging period when they are used for more than 25 years. According to the statistics, aging bridges have accounted for 40% of the total bridges in our country. And over

7、time, their number is also still growing. With the rapid development of the enterprise </p><p>　　In order to analyze the structural properties of detection arm, finite element analysis of the detection arm i

8、scarried out by using ANSYS. By analyzing the force and displacement variation of detection arm, its structural securityis verified. Meanwhile, the modal analysis is used to test the detection arm's natural frequency

9、 and structural vibration modes, which provides a reference for the stability test of the bridge inspection vehicle.</p><p>　　Key words： bridge Inspection car ANSYS finite element analysis</p><p

10、><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 研究的目的和意義1</p><p>　　1.2國內(nèi)外橋梁檢測的發(fā)展歷史和特點1</p><p>　　1.2.1橋梁檢測的發(fā)展歷史1</p><p>

11、;　　1.2.2橋梁檢測車的特點4</p><p>　　1.2.3 橋梁檢測車的發(fā)展6</p><p>　　1.3 橋梁檢測車臂研究方法7</p><p>　　1.3.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀8</p><p>　　1.3.2 有限元軟件ANSYS工程應(yīng)用9</p><p>　　1.3.3 本文主要研究內(nèi)容1

12、0</p><p>　　第2章 建立橋梁檢測車檢測臂模型12</p><p>　　2.1 讀圖12</p><p>　　2.2單元介紹13</p><p>　　2.2.1 BEAM188單元描述13</p><p>　　2.2.2 輸入數(shù)據(jù)14</p><p>　　2.2.3 BA

13、EM188單元信息15</p><p>　　2.2.4 BEAM188單元輸出數(shù)據(jù)16</p><p>　　2.3 開始建模18</p><p>　　2.3.1 材料性質(zhì)20</p><p>　　2.3.2 施加約束20</p><p>　　第3章 橋梁檢測車檢測臂的靜力學(xué)分析22</p>

14、<p>　　3.1 靜載荷簡述22</p><p>　　3.2分析加載23</p><p>　　3.2.1檢測臂的應(yīng)力分析23</p><p>　　3.2.2檢測臂的位移分析28</p><p>　　第4章 橋梁檢測車檢測臂的動力特性分析34</p><p>　　4.1 動力特性分析目的34&

15、lt;/p><p>　　4.2 分析方法34</p><p>　　4.2.1 模態(tài)分析理論34</p><p>　　4.2.2 利用ANSYS進行模態(tài)分析35</p><p>　　第5章 結(jié)論和展望39</p><p><b>　　致謝40</b></p><p&

16、gt;<b>　　參考文獻41</b></p><p>　　附錄A 英文原文42</p><p>　　附錄B 英文翻譯50</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 研究的目的和意義</p><p>　　橋梁檢測車是一種適用于大型

17、或特大型的公路橋、城市高架橋 特路橋 公鐵兩用橋的預(yù)防性檢查作業(yè)的專用車輛，主要用于橋梁的流動檢測及維修作業(yè)。檢測臂是橋梁檢測車的重要組成部分，因此對檢測臂進行力學(xué)分析具有重要的意義[1]。橋梁檢測車(或稱橋梁檢測維修車，Bridge-inspect Vehicle)是指裝備有橋梁檢測儀器和工作臺，用于流動檢測和維修作業(yè)的專用汽車。它由汽車底盤和上部工作裝置2部分組成。橋梁檢測車最早出現(xiàn)在歐美，現(xiàn)在的裝備技術(shù)已很先進，均采用電子液壓控制

18、，并配置有應(yīng)急裝置、穩(wěn)定裝置、遙控裝置及發(fā)電設(shè)備[2]。 </p><p>　　傳統(tǒng)的設(shè)計中對桁架結(jié)構(gòu)進行受力分析多依據(jù)材料力學(xué)中的分析方法計算，但由于計算量大且只能計算少數(shù)的危險截面，已經(jīng)不能適應(yīng)社會競爭的需求。隨著有限元軟件的發(fā)展，使用有限元分析軟件對結(jié)構(gòu)進行建模與分析不僅計算精度較高而且計算周期大大減少。基于ANSYS的橋梁檢測車檢測臂有限元分析為了分析檢測臂的結(jié)構(gòu)性能，用ANSYS對檢測臂進行了有限元分析

19、，通過分析檢測臂受力及位移變化情況來驗證檢測臂結(jié)構(gòu)安全性。同時對檢測臂進行了模態(tài)分析，測出了其固有頻率和結(jié)構(gòu)振型，為檢測車工作時的穩(wěn)定性要求提供了參考。本文用ANSYS10.0對檢測臂進行了靜力學(xué)分析與模態(tài)分析。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外橋梁檢測的發(fā)展歷史和特點</p><p>　　1.2.1橋梁檢測的發(fā)展歷史</p><p>　　設(shè)計橋面來承受移動的車輛

20、荷載，比較容易惡化[3,4]。在橋的生命周期中，一個重要的任務(wù)就是檢測，它用來決定需要保養(yǎng)的等級。相關(guān)維修所需要的費用，所需的資金的分配。保證橋的適用性和安全性也非常重要[5]。在1967年銀橋坍塌后，聯(lián)邦高速公路管理局授權(quán)發(fā)展橋梁檢測的指導(dǎo)原則。這些指導(dǎo)原則要求定期檢查所有公共道路的橋梁，至少每2年一次[6,7]。橋面的惡化包括分層、開裂、其他的缺陷如由于潮濕混凝土的不充分固結(jié)而造成的蜂窩狀缺陷，還有預(yù)應(yīng)力鋼筋的腐蝕和斷裂。</

21、p><p>　　隨著我國公路橋桑事業(yè)的發(fā)展，新建高速公路及橋梁越來越多．同時既有的許多橋梁運新進入了養(yǎng)護維修階段，有關(guān)專家認為橋梁使用25年則進入老化期，據(jù)統(tǒng)計，國橋梁總數(shù)的40％已經(jīng)屬于此范疇，均屬老齡橋梁．而且隨著時間的推移，其數(shù)量還還在增長[8]。近20年來，隨著橋梁檢測事業(yè)的飛速發(fā)展，新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝不斷涌現(xiàn)；同時橋梁結(jié)構(gòu)的使用荷載日益增大，大批既有橋梁進入老齡化期，為了確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全運營，對橋梁檢

22、測工作提出了更高的要求，橋梁檢測工作亦有此愈發(fā)顯得重要。另一方面，隨著自動化技術(shù)的發(fā)展以及計算機的普及應(yīng)用，測試技術(shù)、分析手段也取得了長足進展[9]。橋梁健康監(jiān)測的主要內(nèi)容是通過先進的監(jiān)測儀器、設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)構(gòu)成的整體系統(tǒng)，對橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)、使用性能及整體行為進行</p><p>　　圖1-1 橋梁檢測車</p><p>　　實時監(jiān)測，并對橋梁的安全健康狀況和潛在危險性及時做出評

23、估，提供必要的關(guān)鍵數(shù)據(jù)為橋梁在特殊氣候、交通狀況或橋梁運行中的嚴重異常狀況觸發(fā)預(yù)警信號，為橋梁的安全運營與維護管理提供科學(xué)的決策依據(jù)和指導(dǎo)，避免因意外事故帶來的重大經(jīng)濟損失和社會影響。近幾十年來，科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展推動了橋梁工程技術(shù)的飛躍，隨著橋梁不斷往新穎的橋型和大跨徑的方向發(fā)展，橋梁的檢測試驗技術(shù)也不斷地更新和改進。橋梁結(jié)構(gòu)試驗是對橋梁結(jié)構(gòu)物工作狀態(tài)進行直接測試的一種檢定手段，對橋梁結(jié)構(gòu)物工作狀態(tài)進行檢定，以檢驗結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工質(zhì)量

24、。橋梁結(jié)構(gòu)變形的測量及分析，可以檢驗橋梁的整體受力性能、評價橋跨結(jié)構(gòu)的實際承載能力，是各類橋梁施工質(zhì)量控制和評定工作的重要手段，常在橋梁交付使用前和既有橋梁的檢定加固中采用。橋梁檢測技術(shù)作為該系統(tǒng)的一個基礎(chǔ)性研究方向，歷來是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點，從某種意義上講，橋梁檢測技術(shù)。特別是借助于現(xiàn)代檢測手段的無損檢測技術(shù)，代表了橋梁檢測技術(shù)的最新發(fā)展方向，也是橋梁健康監(jiān)測這一大型綜合智能型決策系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。要合理評價橋梁的健康狀況，首先必須正

25、確認識橋梁在不同環(huán)境下的結(jié)構(gòu)特性及對結(jié)構(gòu)中既有損傷的識別與定位[1</p><p>　　公路交通的迅猛發(fā)展，必然要求強化組織管理。在橋梁管養(yǎng)方面，應(yīng)根據(jù)養(yǎng)護里程、轄區(qū)內(nèi)橋梁數(shù)量設(shè)立若干名專職橋梁養(yǎng)護工程師，并保證其工作性質(zhì)的相對穩(wěn)定，不能隨意換動。在其職責(zé)上，橋梁養(yǎng)護工程師負責(zé)制定、安排橋梁年度定期檢查計劃，組織實施轄區(qū)內(nèi)橋梁養(yǎng)護的定期檢查，提出檢查報告，通報三、四類及危險橋梁的病害狀況。從目前的養(yǎng)護隊伍現(xiàn)狀來看

26、，養(yǎng)護工人素質(zhì)參差不齊，很難做到真正的專業(yè)養(yǎng)護。這就要求各級公路部門高度重視，針對橋梁養(yǎng)護工作的需要，要逐步培養(yǎng)骨干，成立專業(yè)養(yǎng)護隊。橋梁專職養(yǎng)護，要突出的是一個“?！弊?，努力做到專業(yè)人員、專門程序、專用方法，以保證橋梁工程師的工作部署落實到位，隨時掌握橋梁的使用狀況，處治各種危急突發(fā)事件，并使隊伍逐漸從日常養(yǎng)護過渡到具備進行橋梁中、小修甚至大修的能力。</p><p>　　圖1-2 橋梁檢測車檢測臂</p

27、><p>　　嚴格的檢查措施是保證橋梁維護工作質(zhì)量的有效方法。養(yǎng)護隊?wèi)?yīng)對橋梁以及各種防護設(shè)施堅持日常養(yǎng)護巡查，注意觀察橋梁的使用狀況，盡量做到1次/天養(yǎng)護巡查，并做好巡查記錄，同時各級橋梁養(yǎng)護工程師應(yīng)分別組織經(jīng)常性檢查、定期檢查和專業(yè)檢查。一是經(jīng)常性檢查。要由縣級橋梁工程師組織實施，以目測為主，配合簡單工具，至少每年度一次，填寫“經(jīng)常性檢查記錄表”上報。檢查應(yīng)拍攝總體照片，填寫“橋梁定期檢查數(shù)據(jù)表”，并提交檢查報告。

28、二是專業(yè)檢查。凡遭受意外損害、定期檢查中難以判明損壞程度以及決定改造之前均需進行專業(yè)檢查。</p><p>　　一直存在這樣一種情況，只要是新橋做竣工試驗，全部符合通車要求?？墒怯行┬聵蛲度脒\營沒幾年就出現(xiàn)了嚴重的病害，就成了危橋。為了經(jīng)濟效益和社會影響，不得不進行加固，甚至拆除重建。這里有2個鮮活的實例[11]。</p><p>　　實例一：重慶武隆縣烏江二橋為主跨140m的集束鋼管混凝

29、土提籃拱，設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)為汽車一20級，于1996年建成通車。1999年開始進行病害檢測和加固設(shè)計前期工作，2003年經(jīng)檢測大橋已嚴重影響行車安全，實際荷載僅為汽車一l0級。2004年結(jié)合大橋的實際情況和4年來對大橋的檢測結(jié)果，經(jīng)多位橋梁知名專家評審該橋已不適合加固，須拆除重建。從1996年到2004年，僅僅8年時間，一座花費上百萬元建成的大橋就已經(jīng)完成了它的使命。</p><p>　　實例二：湖北鐘祥漢江大橋曾是

30、鐘祥人引以為榮的城市標(biāo)志性建筑，當(dāng)初交通部門竣工驗收時的結(jié)論是工程質(zhì)量等級優(yōu)良?！吨袊鴼v史文化名城大辭典》如此介紹這座大橋：“湖北省級公路皂當(dāng)線上的特大橋梁。1990年10月28日正式奠基，1993年11月18日竣工通車。橋梁總長1584 m，寬l2 m，造價5650萬元。大橋宏偉壯觀，造型簡潔流暢”。到2001年，省交通部門就發(fā)現(xiàn)了橋體有裂縫。2004年，大橋“病癥”加劇，有關(guān)單位檢測后，定性為“危橋”。2005年3月，大橋完全封閉，

31、禁止通車行人。過往人流和車輛只有改道從數(shù)百米外的渡口乘輪渡過江。2005年9月不得不拆除重建。不到12年時間，這座耗費5650萬元的大橋就退出了歷史舞臺。上述2座橋原設(shè)計使用年限均為50年，為何10年左右就結(jié)束了他們的使用壽命呢?當(dāng)然這和原來的設(shè)計、施工、監(jiān)理以及運營后的超載有很大的關(guān)系，但作為最后把關(guān)的竣工檢測也有很大的責(zé)任。前10年里，我國公路一直處于快速建設(shè)發(fā)展時期，很多橋梁施工時搶時間、趕工期，往往給T程留下很多隱患．甚至很多橋

32、梁剛建成，橋墩、梁體就出現(xiàn)了裂縫。而竣工檢測對施工成橋后存在的一 些問題麻痹大意，視而不見，</p><p>　　事實上，就規(guī)模棚當(dāng)?shù)男聵蚝团f橋來說．新橋檢測肯定要比舊橋檢測省時省力．但不能因為是新橋，檢測就粗枝大葉，草草了事。新橋竣工檢測是對以前的設(shè)計、施工和監(jiān)理成果的一次重要檢驗。尤其對新型橋、新材料橋梁來說，在設(shè)計上存在未知參數(shù)較多，通過檢測可以界定設(shè)計的模型、邊界條件的正確性，以完善設(shè)計并指導(dǎo)以后設(shè)計。因

33、此，對新橋檢測更要細致周密，嚴謹認真，為橋梁正常運營提供安全保證，使其發(fā)揮應(yīng)有的經(jīng)濟效益和社會效益[12]。</p><p>　　1.2.2橋梁檢測車的特點</p><p>　　橋梁檢測車是一種可以為橋梁檢測人員在檢測過程中提供作業(yè)平臺，裝備有橋梁檢測儀器,用于流動檢測和維修作業(yè)的專用汽車。它可以隨時移動位置，能安全、快速、高效地讓檢測人員進入作業(yè)位置進行流動檢測或維修作業(yè)。工作時不影響交

34、通而且可以在不收回臂架的情況下慢速行駛。</p><p>　　橋梁檢測車技術(shù)含量很高，涉及到機械、液壓、電子、雷達、通信等先進技術(shù)。具有效率高、安全性好、適應(yīng)性強、功率消耗低等優(yōu)點，適用于特大型公路橋、城市高架橋、鐵路橋、公鐵兩用橋的預(yù)防性檢查和維修作業(yè)，并為操作者在檢測每一組成部分時提供安全保障，還可用于環(huán)境險惡不適合人工檢測的場合。</p><p>　　這種車輛一般是在二類貨車底盤基礎(chǔ)

35、上加裝專用工作裝置而成的。根據(jù)專用工作裝置的不同，橋梁檢測車主要分為吊籃式和桁架式2種。</p><p>　　1.吊籃式橋梁檢測車</p><p>　　吊籃式橋梁檢測車也稱折疊臂式橋梁檢測車，其結(jié)構(gòu)小巧，受橋梁結(jié)構(gòu)制約少，工作靈活，既可檢測橋下也可升起檢測橋梁上部結(jié)構(gòu)，可有線或無線操作，靈活方便，有時候還可以作為高空作業(yè)車使用，價格相對桁架式橋檢車低。其基本結(jié)構(gòu)充分體現(xiàn)了折疊臂式隨車起重運

36、輸車、高空作業(yè)車的特點。工作時在橋下為點陣式檢測，作業(yè)平臺是裝在臂架頂端的一個吊斗，作業(yè)面積較小，只可容納2~3名人員作業(yè)，載質(zhì)量一般只有200~300 kg；另外，在工作過程中，檢測和維修人員不能自由地上下橋，只有將吊籃收回到車上后才能實現(xiàn)，檢測過程中作業(yè)幅度小，還需要經(jīng)常移動和旋轉(zhuǎn)吊籃，作業(yè)效率相對較低。</p><p>　　吊籃式橋梁檢測車一般具有以下特點：</p><p>　　(1

37、)采用機、電、液、訊一體化技術(shù), 控制系統(tǒng)采用電液比例及自動伺服調(diào)平技術(shù)，能精確控制每個細微動作；</p><p>　　(2)一般采用一級伸縮、二級回轉(zhuǎn)、三級變幅機構(gòu)，形成三維空間、6個自由度的空間運動體系，工作臂可跨越一定寬度和高度的障礙物，以便順利將工作斗或工作平臺伸至橋下，安全、快捷地將工作人員和設(shè)備送到橋下幅度允許的任意位置；</p><p>　　(3) 工作斗中加裝先進的過載保護

38、系統(tǒng)，可實時監(jiān)控作業(yè)平臺負荷，超載報警并自動限制操作，確保檢測作業(yè)的安全性，若采用工作平臺，則需具有自動液壓水平調(diào)節(jié)功能，確保工作平穩(wěn)；</p><p>　　(4)根據(jù)實際情況在底盤上加裝支腿穩(wěn)定器，并保證能使整車在橋下檢修工作狀態(tài)下行駛；</p><p>　　(5)采用可伸縮式配重，保證工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性及后橋載荷平衡；</p><p>　　(6)在駕駛室內(nèi)安裝監(jiān)

39、控系統(tǒng)或通信系統(tǒng)，可對橋下作業(yè)狀況進行實時監(jiān)控或通信；</p><p>　　(7)配有備用動力源，可在汽車發(fā)動機出現(xiàn)故障時為專用裝置提供動力，并可為橋梁檢修工具提供電源；</p><p>　　(8)部分設(shè)備可供用戶選擇，如可旋轉(zhuǎn)或延伸的工作平臺、備用動力源(可選液冷式發(fā)動機)、空氣壓縮機、第3控制站的通信系統(tǒng)、115/220V的輸出電源、平臺加熱器、泛光燈、工具箱、工作平臺、頂棚等備件。&

40、lt;/p><p>　　2、桁架式橋梁檢測車式工作平臺，穩(wěn)定性好，承載能力大，使用時檢測人員能方便地從橋面進入平臺或返回橋面，如配置升降機則可大大增加下橋深度。代表行業(yè)先進水平的桁架式橋梁檢測車結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，價值昂貴；但工作穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)不間斷作業(yè)，所提供的是一個相對較大的作業(yè)面，檢測范圍廣，承載能力強，作業(yè)效率高。</p><p>　　桁架式橋梁檢測車按使用形式又可分為2種：車載式(也稱

41、自行式，如圖2)和拖掛式(如圖3)。車載式橋梁檢測車的專用工作裝置安裝在汽車底盤上，加裝控制系統(tǒng)與二類汽車底盤構(gòu)成一體；拖掛式橋梁檢測車則需由卡車或其他汽車拖動行駛。桁架式橋梁檢測車一般具有以下特點：</p><p>　　(1)一般采用機電液信一體化技術(shù)，配有底盤穩(wěn)定裝置、應(yīng)急裝置、備用動力等；</p><p>　　(2)裝備有2套以上控制系統(tǒng)，便于桁架的展開和橋下工作平臺的調(diào)整控制；&l

42、t;/p><p>　　(3)工作平臺在檢測工作中須始終保持水平，以利于檢測或維修人員工作；</p><p>　　(4)配備液力驅(qū)動自推進系統(tǒng)，具有自動行走功能，工作時檢測車可以在橋上行走，不需將桁架收回；</p><p>　　(5)具有二級回轉(zhuǎn)多級變幅和伸縮的三維空間運動功能，可跨越一定寬度的人行道和一定高度的護欄，以使工作平臺順利進入工作位置；</p>

43、<p>　　(6)具有過載保護功能，設(shè)有平臺超載報警、回轉(zhuǎn)報警或限位裝置，安全閥、平衡閥、液壓鎖等安全裝置；</p><p>　　(7)配有實時監(jiān)控或通信系統(tǒng)，以便實時了解橋下的作業(yè)情況，方便、及時、準(zhǔn)確地調(diào)整檢測方位和位置；</p><p>　　(8)配備內(nèi)置式平臺通路安全梯，檢測人員和設(shè)備可以方便地從橋上到達到橋下；根據(jù)需要可選配升高架臺等[13]。</p>&

44、lt;p>　　1.2.3 橋梁檢測車的發(fā)展</p><p>　　意大利BARIN公司自20世紀(jì)60年代開始生產(chǎn)橋梁檢測車。目前主要產(chǎn)品有AP系列的高空作業(yè)車、AB系列的折疊臂式橋梁檢測車和ABC系列的桁架式橋梁檢測車。ABC系列桁架式橋梁檢測車最大水平工作范圍6～23m，最大下橋深度4～9.5m，最大承載質(zhì)量300～800 kg，最大跨越寬度1.7～4.65m，最大跨越護欄高度2.0～5.4m；AB系列折疊

45、臂式橋梁檢測車橋下最大水平距離6.5～22m，橋下最大垂直距離25.58～20.5m，吊籃最大載質(zhì)量200～300kg。</p><p>　　德國MOOG公司自1980年開始生產(chǎn)橋梁檢測車，已擁有28年以上的橋梁檢修設(shè)備的供應(yīng)經(jīng)驗。客戶主要為德國、法國、瑞典、香港、新加坡和印度的鐵路運營商和鐵路公司，國際市場份額超過50%。該公司產(chǎn)品主要用于公路橋梁、鐵路橋梁和隧道檢測，其中：MBI系列桁架式橋梁檢測車有自行式和

46、拖掛式2種，客戶可以根據(jù)實際需要選購；MBL系列吊籃式橋梁檢測車主要用于橋梁檢測、維修工作及高空作業(yè)；MBS、MFG和MPG 橋梁維修單元主要用于長期維修橋梁項目。</p><p>　　美國Aspen Aerials(賽奔馳)公司只生產(chǎn)折疊臂式橋梁檢測車，主要產(chǎn)品型號有A-30、A-40、UB-50、A-62、A-75，其橋下最大水平距離9.4～22.8m，橋下最大垂直距離12.1～22m，橋上最大垂直距離9.2

47、～16.1m，吊籃最大載質(zhì)量272～318 kg。所有Aspen Aerials橋梁檢測車系列均可在無須裝設(shè)液壓支腿和配重的情況下進行平穩(wěn)、安全、可靠地操作。</p><p>　　美國凱捷有限公司(Hydra PlatformsMFG，Inc)創(chuàng)建于1985年，是美國一家專門從事研發(fā)和制造桁架式橋梁檢測車的生產(chǎn)廠家，所生產(chǎn)的桁架式橋梁檢測車有車載式(自行式)和拖掛式。</p><p>　　

48、美國REACHALL公司生產(chǎn)折疊臂式橋梁檢測維修車， 其UB系列橋梁檢測維修車，橋下吊籃最大水平伸長13.2～18.6m，最大下橋深度15.8～21.3m，最大承載質(zhì)量272kg，吊籃向上最大舉升高度(距離橋面)10.7～14.4m。</p><p>　　奧地利PALFINGER公司生產(chǎn)的PA19000型折疊臂式橋梁檢測車，橋下吊籃最大水平伸長16.2m，最大下橋深上最大舉升高度(距離橋面)24.5m。</

49、p><p>　　1.3 橋梁檢測車臂研究方法</p><p>　　有限元法是將連續(xù)體離散化的一種近似方法，其理論基礎(chǔ)是變分原理，連續(xù)體部分與分片插值，即首先找到欲求解的數(shù)學(xué)物理問題用變分表示，寫出其總能量表達式，然后將問題的定能區(qū)域劃分成有限個三角形或四邊形的集合，在每個單元體上選擇有限個結(jié)點，并在每個結(jié)點上選定有限個待求的廣義結(jié)點位移，然后選定結(jié)點廣義位移為參數(shù)，近似地插值求出整個單元上的連

50、續(xù)位移，進而將插值位移代入能量表達式，運用變分原理得到以廣義結(jié)點位移為未知量的離散化有限元方程，求解有限元方程，得到每個結(jié)點上的廣義結(jié)點位移，再在每個單元上使用結(jié)點廣義位移插值求得各種欲求物理量，例如位移、應(yīng)變、應(yīng)力等。</p><p>　　傳統(tǒng)的設(shè)計中對桁架結(jié)構(gòu)進行受力分析多依據(jù)材料力學(xué)中的分析方法計算，但由于計算量大且只能計算少數(shù)的危險截面，已經(jīng)不能適應(yīng)社會競爭的需求。隨著有限元軟件的發(fā)展，使用有限元分析軟件

51、對結(jié)構(gòu)進行建模與分析不僅計算精度較高而且計算周期大大減少。</p><p>　　1.3.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀</p><p>　　我國早在20世紀(jì)80年代末90年代初，由交通部公路規(guī)劃設(shè)計院在北京起重機廠生產(chǎn)的QY-8型汽車起重機的基礎(chǔ)上進行改造設(shè)計，最后以失敗告終，后來國內(nèi)又有幾家單位研制也均以失敗告終。最近幾年，國內(nèi)一些大型工程機械廠家開始從事橋梁檢測車的研制，主要有徐工集團、湖南寶龍等

52、，其產(chǎn)品和性能均能達到國外設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)。</p><p><b>　　1.徐工集團</b></p><p>　　徐工集團成立于1989年，主要從事工程機械的研發(fā)和生產(chǎn)，1997年由徐工集團、西安公路交通大學(xué)和河南省公路局聯(lián)合成功研制出XZJ5140JQJ10型折疊臂式橋梁檢測車，結(jié)束了我國無橋梁檢測車的歷史。</p><p>　　2006年底，徐

53、工集團成功研制出18m桁架式橋梁檢測車，標(biāo)志著徐工躋身于全球4大橋梁檢測車生產(chǎn)領(lǐng)域，與意大利BARIN、德國MOOG、美國凱捷公司并駕齊驅(qū)，進入橋梁檢測車系列化的快車道。目前該集團已經(jīng)形成9～22m桁架式系列產(chǎn)品，最大水平工作范圍9～21.9m，最大下橋深度6～8.5m，最大承載質(zhì)量600～800 kg，最大跨越寬度2.1～2.5m，最大跨越護欄高度</p><p><b>　　2.湖南寶龍</b

54、></p><p>　　湖南寶龍專用汽車有限公司，是國家發(fā)改委和空軍后勤裝備部定點的隨車起重運輸車生產(chǎn)基地，主要生產(chǎn)隨車起重機、軍用新型航空炸彈專用吊車、式叉車吊，以及汽車配件和液壓配件等。</p><p>　　2006年3月首次成功研制出桁架式橋梁檢測作業(yè)車，2007年開發(fā)出作業(yè)平臺長為13m和16m的桁架式橋梁檢測作業(yè)車。GYJ5210JQJH橋梁檢測作業(yè)車最大水平工作范圍13m

55、，最大下橋深度6.2m，最大承載質(zhì)量600 kg，最大跨越寬度2.1m，最大跨越護欄高度2.0m。</p><p>　　3.湖南恒潤高科有限公司</p><p>　　湖南恒潤高科有限公司，有多年的高速公路建設(shè)與養(yǎng)護經(jīng)驗，是以提供滿足客戶需求的高品質(zhì)道路養(yǎng)護機械為目標(biāo)，集產(chǎn)品研發(fā)、制造、營銷為一體的專業(yè)化工程機械企業(yè)。</p><p>　　2009年2月，該公司根據(jù)市

56、場行情和發(fā)展需要， 參照德國MOOG 橋梁檢測車，在其基礎(chǔ)上合理改進，并在吸取國內(nèi)外橋梁檢測作業(yè)車經(jīng)驗的基礎(chǔ)上研制推出16m桁架式橋梁檢測作業(yè)車。</p><p>　　該公司目前主要有HHR5250JQJ16、HHR5250JQJ08車型，其最大水平工作范圍8～16m，最大下橋深度7.0m，最大承載質(zhì)量600～700kg，最大跨越寬度2.1～2.2m，最大跨越護欄高度2.24m。</p><p

57、>　　國內(nèi)外橋梁檢測車的功能基本一致。國內(nèi)設(shè)備大都采用國外進口元器件。相對來說，國內(nèi)設(shè)備可供選擇性更大，可根據(jù)客戶需求修改，底盤也可根據(jù)客戶需求定制。例如；湖南寶龍的橋梁檢測車，可采用東風(fēng)底盤，主要元器件均為意大利原裝進口；徐工的橋梁檢測車可選用沃爾沃底盤，主要元器件為德國原裝進口。國內(nèi)外設(shè)備在設(shè)計上差別不大。國產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計更符合中國人的操作要求和習(xí)慣。相對來說，國外設(shè)備技術(shù)先進，性能穩(wěn)定，但價格昂貴，加上售后服務(wù)收費也高，綜合成

58、本較高。以18 m橋梁檢測車為例，國外設(shè)備基本在500萬元以上，而國內(nèi)同等性能設(shè)備的價格在300萬元左右。國外設(shè)備進口配件價格較高，服務(wù)支持較困難，質(zhì)保期過后服務(wù)收費較高，也即后期維護成本較高。國產(chǎn)設(shè)備及備件運輸方便，服務(wù)比較及時，收費也相對低廉，但所采用的原裝進口元器件部分，要受到一定的制約。</p><p>　　1.3.2 有限元軟件ANSYS工程應(yīng)用</p><p>　　ANSYS

59、軟件是集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁和聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，可廣泛應(yīng)用于土木工程、交通、水利、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、國防工業(yè)、電子、造船、生物醫(yī)學(xué)、地礦和日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究[14-15]。</p><p>　　軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析(可進行線性

60、分析、非線性分析和高度非線性分析)、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示(可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部)等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。</p>

61、<p>　　用戶的指令可以通過鼠標(biāo)點擊菜單項選取和執(zhí)行，也可以在命令輸入窗口通過鍵盤輸入。命令一經(jīng)執(zhí)行，該命令就會在.LOG文件中列出，打開輸出窗口可以看到.LOG文件的內(nèi)容。如果軟件運行過程中出現(xiàn)問題，查看.LOG文件中的命令流及其錯誤提示，將有助于快速發(fā)現(xiàn)問題的根源。.LOG 文件的內(nèi)容可以略作修改存到一個批處理文件中，在以后進行同樣工作時，由ANSYS自動讀入并執(zhí)行，這是ANSYS軟件的第三種命令輸入方式。這種命令方式在

62、進行某些重復(fù)性較高的工作時，能有效地提高工作速度。</p><p>　　結(jié)構(gòu)分析的定義：結(jié)構(gòu)分析是有限元分析方法最常用的一個應(yīng)用領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)這個術(shù)語是一個廣義的概念，它包括土木工程結(jié)構(gòu)，如橋梁和建筑物；汽車結(jié)構(gòu)，如車身骨架；海洋結(jié)構(gòu)，如船舶結(jié)構(gòu)；航空結(jié)構(gòu)，如飛機機身等；同時還包括機械零部件，如活塞，傳動軸等等。</p><p>　　在ANSYS產(chǎn)品家族中有七種結(jié)構(gòu)分析的類型。結(jié)構(gòu)分析中計算得

63、出的基本未知量(節(jié)點自由度)是位移，其他的一些未知量，如應(yīng)變，應(yīng)力以及反力都可通過節(jié)點位移導(dǎo)出。</p><p>　　靜力分析用于求解靜力載荷作用下結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力等。靜力分析包括線性和非線性分析。而非線性分析涉及塑性，應(yīng)力剛化，大變形，大應(yīng)變，超彈性，接觸面和蠕變。</p><p>　　模態(tài)分析用于計算結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)。</p><p>　　諧波分析用于確定結(jié)

64、構(gòu)在隨時間正弦變化的載荷作用下的響應(yīng)。</p><p>　　瞬態(tài)動力分析用于計算結(jié)構(gòu)在隨時間任意變化的載荷作用下的響應(yīng)，并且可計及上述提到的靜力分析中所有的非線性性質(zhì)。</p><p>　　譜分析是模態(tài)分析的應(yīng)用拓廣，用于計算由于響應(yīng)譜或PSD輸入(隨機振動)引起的應(yīng)力和應(yīng)變。</p><p>　　曲屈分析用于計算曲屈載荷和確定曲屈模態(tài)。ANSYS可進行線性(特征值

65、)和非線性曲屈分析。</p><p>　　顯式動力分析ANSYS/LS-DYNA可用于計算高度非線性動力學(xué)和復(fù)雜的接觸問題。</p><p>　　此外，前面提到的七種分析類型還有如下特殊的分析應(yīng)用：</p><p><b>　　斷裂力學(xué)；</b></p><p><b>　　復(fù)合材料；</b><

66、;/p><p><b>　　疲勞分析。</b></p><p>　　1.3.3 本文主要研究內(nèi)容</p><p>　　ANSYS 在結(jié)構(gòu)分析中，靜力學(xué)分析與模態(tài)分析是進行結(jié)構(gòu)的諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動力學(xué)分析與譜分析的基礎(chǔ)。</p><p>　　本文第二章根據(jù)檢測臂的實際參數(shù)對其進行了三維建模。檢測臂使用材料為Q235 鋼，屈服

67、極限為235MPa，密度為7800kg/，楊氏彈性模量約為210GPa，泊松比為0.3。檢測臂有限元單元類型使用BEAM188單元。檢測臂單元離散化過程，首先劃分網(wǎng)格類型，有限元網(wǎng)格劃分主要有兩種，一種是自由網(wǎng)格劃分，主要用于對不規(guī)則邊界對象進行劃分，劃分精度較低。另一種是映射網(wǎng)格，這種劃分類型劃分精度較高，對劃分對象的邊界、形狀要求較高。因為桁架結(jié)構(gòu)截面形狀比較復(fù)雜，所以多選用自由網(wǎng)格。其次網(wǎng)格劃分工具欄設(shè)定，網(wǎng)格劃分工具面板用于實體

68、建模網(wǎng)格劃分的要素控制，如單元形狀、中間節(jié)點位置及網(wǎng)格劃分的尺寸大小等，網(wǎng)格劃分時要綜合考慮精度、經(jīng)濟性及適用性，一般情況下分析受力時需劃分網(wǎng)格時應(yīng)在保證精度條件下盡量減少網(wǎng)格數(shù)量。</p><p>　　第三章是對檢測臂模型進行靜力學(xué)分析，靜力學(xué)分析主要分析檢測臂在特定載荷作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等響應(yīng)。該過程不考慮檢測臂自身的慣性與阻尼的影響。</p><p>　　第四章是對模型進行

69、模態(tài)分析，模態(tài)分析則是分析檢測臂在無載荷作用下的模態(tài)參數(shù)，包括檢測臂自身的固有頻率與結(jié)構(gòu)振型。多自由度系統(tǒng)在振動分析時，可同時對其進行多階模態(tài)分析，能得到該系統(tǒng)在不同頻率下結(jié)構(gòu)的變形情況。</p><p>　　第2章 建立橋梁檢測車檢測臂模型</p><p><b>　　2.1 讀圖</b></p><p>　　本次設(shè)計是對橋梁檢測車檢測臂

70、進行靜力和動力分析。在分析過程中用到的所有數(shù)據(jù)及參數(shù)均參考有關(guān)規(guī)范。</p><p>　　鋼桁架 （steel truss ）用鋼材制造的桁架 工業(yè)與民用建筑的屋蓋結(jié)構(gòu) 吊車梁、橋梁和水工閘門等，常用鋼桁架作為主要承重構(gòu)件。各式塔架，如桅桿塔、電視塔和輸電線路塔等，常用三面、四面或多面平面桁架組成的空間鋼桁架。本文中采用四面桁架。</p><p>　　檢測臂為平行弦桿結(jié)構(gòu)全長10米，上弦桿

71、和下弦桿長度均為1米，截面均為直徑10cm圓截面，如圖2-1、2-2。</p><p>　　圖2-1橋梁檢測車工作臂結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　本文研究的是整個工作臂結(jié)構(gòu)中的水平部分，這部分是帶有伸縮功能的臂架結(jié)構(gòu)，是工作臂中主要的承重部分。</p><p>　　圖2-2檢測臂平面圖</p><p>　　圖2-3 檢測臂立體圖</p

72、><p><b>　　2.2單元介紹</b></p><p>　　2.2.1 BEAM188單元描述</p><p>　　BEAM188 — 三維線性有限應(yīng)變梁單元 </p><p><b>　　單元描述： </b></p><p>　　BEAM188單元適合于分析從細長到中等粗

73、短的梁結(jié)構(gòu)。該單元基于鐵木辛哥梁結(jié)構(gòu)理論，并考慮了剪切變形的影響。 </p><p>　　BEAM188是三維線性2節(jié)點梁單元，每個節(jié)點有六或七個自由度，自由度個數(shù)取決于KEYOPT（1）的值。當(dāng)KEYOPT（1）＝0（缺?。r，每個節(jié)點有六個自由度：節(jié)點坐標(biāo)系的x、y、z方向的平動和繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動。當(dāng)KEYOPT（1）＝1時，每個節(jié)點有七個自由度，這時引入了第七個自由度（橫截面的翹曲）。本單元非常適合于線

74、性、大角度轉(zhuǎn)動和/或非線性大應(yīng)變問題。當(dāng)NLGEOM打開（ON）時，BEAM188缺省考慮應(yīng)力剛化效應(yīng)。應(yīng)力剛化選項使本單元能分析彎曲、橫向及扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性問題。</p><p>　　BEAM188/BEAM189 可以采用sectype、secdata、secoffset、secwrite 及secread 定義橫截面。本單元支持彈性、蠕變及素性模型（不考慮橫截面子模型）。這種單元類型的截面可以是不同材料組成的組和

75、截面。BEAM188從6.0版本開始忽略任何實參數(shù)，參考seccontrols命令來定義橫向剪切剛度和附加質(zhì)量。單元坐標(biāo)系統(tǒng)（/psymb，esys）與BEAM188單元無關(guān)。</p><p>　　下面是BEAM188單元的示意圖</p><p>　　圖2-4 BEAM188單元的示意圖</p><p>　　2.2.2 輸入數(shù)據(jù)</p><p&g

76、t;　　BEAM188 輸入數(shù)據(jù)</p><p>　　該單元的幾何形狀、節(jié)點位置、坐標(biāo)體系如圖“BEAM Geometry”所示，BEAM188 由整體坐標(biāo)系的節(jié)點i和j定義。節(jié)點k是定義單元方向的所選方式，有關(guān)方向節(jié)點和梁的網(wǎng)格劃分的信息可以參見ANSYS Modeling and Meshing Guide中的Generating a Beam Mesh With Orientation Nodes。參考lm

77、esh 和latt 命令描述可以得到k節(jié)點自動生成的詳細資料。</p><p>　　BEAM188 可以在沒有方向節(jié)點的情況下被定義。在這種情況下，單元的x 軸方向為i節(jié)點指向j節(jié)點。對于兩節(jié)點的情況，默認的y軸方向按平行x－y 平面自動計算。對于單元平行與z軸的情況（或者斜度在0.01％以內(nèi)），單元的y 軸的方向平行與整體坐標(biāo)的y軸（如圖）。用第三個節(jié)點的選項，用戶可以定義單元的x 軸方向。如果兩者都定義了，那

78、么第三節(jié)點的選項優(yōu)先考慮。第三個節(jié)點（K），如果采用的話，將和i、j節(jié)點一起定義包含單元x 軸和z 軸的平面(如圖)。如果該單元采用大變形分析，需要注意這個第三號節(jié)點緊緊在定義初始單元方向的時候有效。</p><p>　　梁單元是一維空間線單元。橫截面資料用sectype 和secdata 命令獨立的提供，參見ANSYS Structural Analysis Guide 的Beam Analysis and C

79、ross Sections 看詳細資料。截面與單元用截面ID號（SECNUM）來關(guān)聯(lián)，截面號是獨立的單元屬性。除了等截面，還可以用sectype 命令中的錐形選項來定義錐形截面（參考Defining a Tapered Beam）。</p><p>　　單元基于鐵木辛哥梁理論，這個理論是一階剪切變形理論；橫向剪切應(yīng)力在橫截面是不變的，也就是說變形后橫截面保持平面不發(fā)生扭曲。BEAM188 是一階鐵木辛哥梁單元，沿

80、著長度用了一個積分點，用默認的KEYOPT(3)設(shè)置。因此，在i和j節(jié)點要求SMISC 數(shù)值的時候，中間數(shù)值在兩端節(jié)點均輸出。當(dāng)KEYOPT（1） 設(shè)置為2，兩個積分點作為延長的線性變量被運用。</p><p>　　BEAM188/BEAM189 單元可以用在細長或者短粗的梁。由于一階剪切變形的限制，只有適度的“粗”梁可以分析。梁的長細比（GAL2/(EI))可以用來判定單元的適用性，這里：</p>

81、<p>　　G—剪切模量； A—截面積；L—長度；EI—抗彎剛度</p><p>　　需要注意的是這個比例的計算需要用一些全局距離尺寸，不是基于獨立的單元尺度。下面這個圖提供了受端部集中荷載的懸臂梁的橫向剪切變形的評估，這個例子可以作為一個很好的大致的指導(dǎo)。我們推薦長細比要大于30。</p><p>　　2.2.3 BAEM188單元信息</p><p>

82、;　　BEAM188/BEAM189 單元支持“約束扭轉(zhuǎn)”分析，通過定義梁節(jié)點的第七個自由度來實現(xiàn)。BEAM188 單元默認的假設(shè)是截面的扭轉(zhuǎn)是足夠小的以至于可以忽略（KEYOPT（1）＝0）。你可以激活它的扭轉(zhuǎn)自由度通過定義KEYOPT（1）＝1。當(dāng)激活節(jié)點的扭轉(zhuǎn)自由度的時候，每個節(jié)點有七個自由度：UX，UY，UZ，ROTX, ROTY, ROTZ, and WARP。當(dāng)KEYOPT(1) = 1，雙力矩合雙弧線將被輸出。</p

83、><p>　　實際上，當(dāng)兩個“約束扭轉(zhuǎn)”的單元以一個尖銳的角度組合在一起的時候，你需要耦合他們的唯一合轉(zhuǎn)角，但是它們平面外的自由度解藕。通過用兩個節(jié)點在物理位置和運用合適的約束可以一般地實現(xiàn)。這個過程很容易的（自動的）實現(xiàn)，通過ENDRELEASE 命令，這個命令將兩個臨近橫截面相交角度大于20 度的單元的平面外扭轉(zhuǎn)解耦。</p><p>　　BEAM188 允許改變橫截面慣性屬性來實現(xiàn)軸向伸

84、長的功能。默認的，截面面積改變來使得單元的體積變形后不變化。這種默認的值對于彈塑性應(yīng)用是適用的。通過運用KEYOPT（2）,你可以選擇使得橫截面是恒定的或者剛性的。</p><p>　　2.2.4 BEAM188單元輸出數(shù)據(jù)</p><p>　　BEAM188 的輸出數(shù)據(jù):</p><p>　　要看BEAM188 的3-D變形形狀，運用OUTRES,MISC 或者O

85、UTRES 命令，所有的靜態(tài)和瞬態(tài)分析的命令。要觀察模態(tài)分析和特征值屈曲分析的3－D模態(tài)形狀，必須用激活單元結(jié)果擴展模態(tài)（MXPAND 命令Elcalc＝Y(jié)ES 的選項）。</p><p>　　對于梁設(shè)計很常規(guī)的是使用軸力成分，軸力由軸向荷載和在各個端點的彎曲獨立提供。因此，BEAM188 提供線性的應(yīng)力輸出作為它的SMISC 輸出命令的一部分，由下面的定義來指示：</p><p>　　S

86、DIR是軸力引起的應(yīng)力分量</p><p>　　SDIR＝FX/A，這里FX 是軸力（SMISC 的數(shù)值為1 和14），A 表示截面面積</p><p>　　SBYT和SBYB 是彎曲應(yīng)力分量。</p><p>　　SBYT = -MZymax / Izz </p><p>　　SBYB = -MZymin / Izz </p>

87、<p>　　SBZT = MYzmax / Iyy </p><p>　　SBZB = MYzmin / Iyy </p><p>　　這里MY、MZ 是彎距（SMISC 數(shù)值是2、15、3、16）。數(shù)值Iyy 和Izz 是截面慣性距。對ASEC梁截面，ANSYS用最大和最小截面尺度，對于ASEC種類的截面，最大最小的Y 和Z 方向直接分別假定在+0.5 到-0.5。</

88、p><p>　　單元應(yīng)力的相應(yīng)定義：</p><p>　　EPELDIR = EX EPELBYT = -KZ ymax </p><p>　　EPELBYB = -KZ ymin </p><p>　　EPELBZT = KYzmax </p><p>　　EPELBZB = KYzmin </p><

89、;p>　　這里EX、KY 和KZ 是總應(yīng)力和曲率（SMISC 數(shù)值是7、8、9、20、21 和22） </p><p>　　輸出的應(yīng)力僅僅對于單元的彈性行為嚴格有效。BEAM188 總是組合應(yīng)力來支持非線性材料的行為。當(dāng)單元和非線性材料相關(guān)的時候，組合應(yīng)力最好作為線性近似來對待，應(yīng)該謹慎的說明。</p><p>　　單元運用以下符號輸出定義表格：</p><p&g

90、t;　　在name 列的冒號表示該項目可以通過構(gòu)成名字的方法來獲得。第0列表示該項有效的說明在文件Jobname.OUT 中。R 列表示該項的結(jié)果顯示在results 文件中。</p><p>　　無論在0還是R 列中，Y表示該項一直是可用的。數(shù)值表示描述哪里該項是選擇性提供的腳注，－表示該項不提供。</p><p>　　剪切應(yīng)力由扭轉(zhuǎn)和橫向荷載引起。BEAM188/BEAM189 基于一

91、階剪切變形理論，和廣泛知道的鐵木辛哥梁理論。橫向剪切應(yīng)變對于截面是常數(shù)，因此基于橫向剪應(yīng)力剪切能量。建立通過提前確定的梁橫截面剪應(yīng)力分布系數(shù)重新分布，可用于輸出的目的。默認，ANSYS將僅僅輸出扭轉(zhuǎn)荷載導(dǎo)致的剪應(yīng)力，keyopt(4)用來激活由屈曲和橫向荷載引起的剪切應(yīng)力的輸出。</p><p>　　橫向剪應(yīng)力的分布的精度和截面模型的單元劃分精度直接成比例關(guān)系（為了定義翹曲、剪切重心和其他截面幾何屬性）。截面邊緣

92、的牽引自由狀態(tài)僅僅在截面定義合適的模型適用。</p><p>　　默認的，ANSYS運用劃分網(wǎng)格的密度（對于截面模型）， 這個密度提供扭轉(zhuǎn)硬化、翹曲硬化和慣性屬性、剪切中心定義的精確結(jié)果。默認的網(wǎng)格劃分運用對于非線性材料的計算也是合適的。然而，如果由橫向力引起的剪應(yīng)力分布如果要十分精確的捕捉的話需要更多的截面模型的定義。注意：增加截面網(wǎng)格劃分的尺寸，并不是導(dǎo)致更大的計算量，如果相關(guān)的材料是線性的話。Sectype

93、和secdata命令描述允許定義截面網(wǎng)格劃分的密度。</p><p>　　橫向剪應(yīng)力分布計算忽略了泊松比的效應(yīng)。泊松比對剪切修正因子和剪切應(yīng)力分布有輕微的影響。</p><p>　　BEAM188 Assumptions and Restrictions</p><p>　　BEAM188 假定和約束</p><p><b>　　梁

94、不能0 長度</b></p><p>　　默認的（keyopt（1）＝0）翹曲約束效應(yīng)假定為忽略的。</p><p>　　截面失效和折疊不計算。</p><p>　　轉(zhuǎn)動自由度在集中質(zhì)量矩陣時不計算，如果存在偏移的話。</p><p>　　對于土木工程建立框架模型和典型多層結(jié)構(gòu)模型而言每個構(gòu)件運用單一單元時一種普通的實踐。因為橫向

95、位移的三次插值，BEAM4 和BEAM44 對于這樣一種方法更合適。然而，如果BEAM188 需要有那樣的需要，確定對于每個構(gòu)件運用幾種單元。BEAM188 包括橫向剪力的效應(yīng)。</p><p>　　單元采用完整的牛頓－拉夫森方法計算最好（那是默認的計算控制選項）。對于非線性問題，那由大轉(zhuǎn)動決定，要求不可以使用pred，on。</p><p>　　注意僅僅可以分析適當(dāng)厚度的梁。參考&quo

96、t;BEAM188 Input Data"來獲取更多信息。</p><p>　　當(dāng)一種截面有多種材料復(fù)合的時候，/eshape 用來提出應(yīng)力等值線（和其他數(shù)值）， 單元平均通過材料邊緣的應(yīng)力。為了限制這樣的行為，在材料周圍運用小截面元。沒有輸入選項來通過這樣的行為。</p><p>　　當(dāng)用SSTIF，ON 定義應(yīng)力強化時，在幾何非線性分析（NLGEOM，ON） 適用。在幾何線性

97、分析中是忽略的(NLGEOM,OFF)。預(yù)應(yīng)力可以通過pstres 命令激活。</p><p><b>　　2.3 開始建模</b></p><p>　　有限元分析的最終目的是要還原一個實際工程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)行為特征，換句話說分析必須是針對一個物理原型準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。從廣義上講，模型包括所有的節(jié)點、單元、材料屬性、實常數(shù)、邊界條件，以及其它用來表現(xiàn)這個物理系統(tǒng)的特征。在A

98、NSYS術(shù)語中，模型生成一般狹義地指用節(jié)點和單元表示空間體域和系統(tǒng)的連接生成過程。因此，在這里討論的模型生成是指，模型和節(jié)點單元的幾何造型。可以用兩種方法來生成模型：實體建模和直接生成。對于實體建模，需要描述模型的幾何邊界，建立對單元大小及形狀的控制，然后令A(yù)NSYS程序自動生成所有的節(jié)點和單元。與之對比，用直接生成方法，在定義ANSYS實體模型之前，必須確定每個節(jié)點的位置，及每個單元的大小、形狀和連接。盡管有些數(shù)據(jù)自動生成是可能的，直

99、接生成方法基本上是依次傳遞的，這種方法要求在建立有限元網(wǎng)格時記錄所有的節(jié)點號。這種詳細的記錄對于大模型來說是乏味的，并很可能出錯。實體建模一般比直接生成方法更加有效和通用，是一般建模的首選方法。</p><p>　　建模在ANSYS系統(tǒng)中包括廣義與狹義兩層含義，廣義模型包括實體模型和在載荷與邊界條件下的有限元模型，狹義則僅僅指建立的實體模型與有限元模型。建模的最終目的是獲得正確的有限元網(wǎng)格模型，保證網(wǎng)格具有合理的

100、單元形狀，單元大小密度分布合理，以便施加邊界條件和載荷，保證變形后仍具有合理的單元形狀，場量分布描述清晰等。</p><p>　　1. 建立實體模型的兩種途徑　　(1) 利用ANSYS自帶的實體建模功能創(chuàng)建實體模型；　　(2) 利用ANSYS與其他軟件接口導(dǎo)入其他二維或三維軟件所建立的實體模型?！　?. 實體建模的三種方式　　(1) 自底向上的實體建模　　由建立最低圖元對象的點到最高圖元對象的體，即先定

101、義實體各頂點的關(guān)鍵點，再通過關(guān)鍵點連成線，然后由線組合成面，最后由面組合成體?！　?2) 自頂向下的實體建?！　≈苯咏⒆罡邎D元對象，其對應(yīng)的較低圖元面、線和關(guān)鍵點同時被創(chuàng)建。　　(3) 混合法自底向上和自頂向下的實體建?！　】筛鶕?jù)個人習(xí)慣采用混合法建模，但應(yīng)該考慮要獲得什么樣的有限元模型，即在網(wǎng)格劃分時采用自由網(wǎng)格劃分或映射網(wǎng)格劃分。自由網(wǎng)格劃分時，實體模型的建立比較簡單，只要所有的面或體能接合成一體就可以：映射網(wǎng)格劃分時，平

102、面結(jié)構(gòu)一定要四邊形或三邊形的面相接而成。</p><p>　　實體模型的建立與CAD軟件相似，利用點、線、面積、體積組合之后，由邊界來決定網(wǎng)格。確定了每邊單元數(shù)目和單元尺寸后，ANSYS的內(nèi)建程序即能自動產(chǎn)生網(wǎng)格，即自動產(chǎn)生節(jié)點及單元，并同時完成有限元模型。自動網(wǎng)格建立法，對于復(fù)雜的系統(tǒng)有更好的效果，尤其對三維空間結(jié)構(gòu)體系的分析最為有用。</p><p>　　本文利用的是ANSYS自帶的實

103、體建模功能創(chuàng)建實體。</p><p>　　圖2-4 模型示意圖</p><p>　　2.3.1 材料性質(zhì)</p><p>　　本模型用的是BEAM188單元，檢測臂使用材料為Q235 鋼，屈服極限235MPa，密度為7800kg/m，楊氏彈性模量約為210GPa，泊松比為0.3。</p><p>　　2.3.2 施加約束</p>

104、<p>　　在左端四個關(guān)鍵點施加x、y、z三個方向的約束，其余點不施加約束，整個檢測臂相當(dāng)于懸臂的桁架結(jié)構(gòu)。</p><p>　　圖2-5 模型施加約束后示意圖</p><p>　　圖2-6是整個模型中的一個節(jié)點結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　圖2-6 節(jié)點示意圖</p><p>　　第3章 橋梁檢測車檢測臂的靜力學(xué)分析<

105、/p><p>　　3.1 靜載荷簡述</p><p>　　結(jié)構(gòu)分析的定義：結(jié)構(gòu)分析是有限元分析方法最常用的一個應(yīng)用領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)這個術(shù)語是一個廣義的概念，它包括土木工程結(jié)構(gòu)，如橋梁和建筑物；汽車結(jié)構(gòu)，如車身骨架；海洋結(jié)構(gòu)，如船舶結(jié)構(gòu)；航空結(jié)構(gòu)，如飛機機身等；同時還包括機械零部件，如活塞，傳動軸等等。</p><p>　　靜力分析計算在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的效應(yīng)，它不考

106、慮慣性和阻尼的影響，如結(jié)構(gòu)受隨時間變化載荷的情況?？墒牵o力分析可以計算那些固定不變的慣性載荷對結(jié)構(gòu)的影響，如重力和離心力，以及那些可以近似為等價靜力作用的隨時間變化載荷，如通常在許多建筑規(guī)范中所定義的等價靜力風(fēng)載和地震載荷?！　?lt;/p><p>　　下面是對本例的簡單描述</p><p>　　（1）鋼桁架用鋼材制造的桁架。工業(yè)與民用建筑的屋蓋結(jié)構(gòu)、吊車梁、橋梁和水工閘門等，常用鋼桁架作為

107、主要承重構(gòu)件。最常采用的是平面桁架，在橫向荷載作用下其受力實質(zhì)是格構(gòu)式的梁。鋼桁架與實腹式的鋼梁相比較，其特點是以弦桿代替翼緣和以腹桿代替腹板，而在各節(jié)點處通過節(jié)點板(或其它零件)用焊縫或其它連接將腹桿和弦桿互相連接；有時也可不用節(jié)點板而直接將各桿件互相焊接(或其它連接)。這樣，平面桁架整體受彎時的彎矩表現(xiàn)為上、下弦桿的軸心受壓和受拉，剪力則表現(xiàn)為各腹桿的軸心受壓或受拉。定義約束，檢測臂在工作時，前后兩節(jié)桁架是相互配合關(guān)系，檢測臂之間只