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鐵路鋼橋強度有限元分析及優化設計

發布于:2022-02-15 21:49
有限元分析

      最原始的鋼橋設計過程是設計人員采用力學方法與經驗公式根據長期總結出來的設計理論和實驗數據進行設計,人工計算不可避免地采用了過多的簡化,設計結果不夠精確、全面、最優。比如,不能全面反映整體應力狀態,導致結構設計中的冗余和繁瑣。隨著科技的進步,選用簡便、合理的計算方法對斜交框架結構進行有限元分析,正確地分析其受力狀況,對于小型鐵路鋼橋結構設計來說極為重要。
      根據《鐵路橋涵設計基本規范》計算該鋼桁架橋的設計載荷,橋梁承受重力,列車標準均布荷載,列車制動力或牽引力,列車搖擺力的作用,這些工況的組合作用將對橋梁產生最不利的影響。橋涵結構的恒載應在考慮橋梁自重時對重力加速度值放大1.5%,即采用9947即可。鐵路列車豎向靜活載參考采用中華人民共和國鐵路標準活載。查閱《鐵路橋涵設計基本規范》,經線性插值運算得該橋的換算均布荷載K=0.88955E8。平均分配到兩根縱梁上則每根梁所受的均布荷載Km=0.4477E8。列車豎向活載包括列車豎向動力作用,該列車豎向活載等于列車豎向靜活載乘以動力系數列車制動力或牽引力應按列車豎向靜活載的10%計算。每個集中力大小為Kz/2=Km×10%=0.4477E8×10%/2=0.2238E7,力的作用點分別為兩縱梁的中點。列車橫向搖擺力應取0.1E12,作為一個集中載荷取最不利位置,以水平方向垂直線路中心線作用于鋼軌頂面。在本模型中作用點即分別為兩縱梁的中點。每個集中力大小為0.5E11,方向不妨取Y軸正方向。
      有限元模型建立并施加約束和荷載本模型中的鋼桁梁是由主桁、橫梁、縱梁、橫聯、縱聯等平面結構組成的一個空間結構,它的所有節點連接方式均為剛性或半剛性,因此這是一個高次靜不定空間結構。對于ANSYS有限元分析來說,合理選擇單元類型是至關重要的,詳細了解單元的輸入參數、輸出參數,有助于減少工作量,并且可以有效的控制所需結果的輸出和顯示。四種工字梁采用Beam4單元,橋面選用Shell63單元,建立鋼橋的有限元模型。建模過程中,適當的簡化實際結構,建模和計算時間可以相對得到節省,使得工作效率大大提高。故運用APDL命令對橋梁模型受載后的總位移云圖,總位移矢量圖,單元的軸力圖、彎矩圖、剪力圖等變形圖進行顯示,并以此結果為依據進行優化設計。
      位移:在各種荷載組合作用下,鋼桁梁橋的下弦中部產生最大位移,由中間向兩側位移數值逐漸減;上弦也呈現此種趨勢,不過位移數值較下弦數值;橋面在橫向方向上位移由中間向兩端數值增大,橋面在縱向方向上位移數值由中間向兩端減小。
      軸向力:在各種工況組合作用下,鋼桁梁橋的腹桿受軸力較大,下弦桿次之,再次是端斜桿,最后是上弦桿。腹梁構件應力全為負值,說明它是受壓的,而且它的最大彎曲應力達到了MPa級,可見對它做梁單元的假設是正確的。下面橫梁的軸應力顯然要大于上面構件的軸應力,這些都是需要注意的地方?梢詫⑸舷伊杭僭O為桿件,下面的橫梁的橫截面積要適當的比上面的橫截面積大一些。


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