基于ANSYS节点耦合的盾构机箱涵吊机梁结构设计方法与流程

本发明涉及一种地下盾构施工设备设计，尤其涉及一种基于ANSYS软件的盾构机箱涵吊机梁结构设计方法。

背景技术：

箱涵吊机梁由桁架吊机梁和吊机轨道梁共同组成，用来行走箱涵吊机和管片吊机；桁架吊机梁和吊机轨道梁同时承载吊机工作时的载荷，吊机轨道梁由若干压板通过螺栓固定在桁架吊机梁下部，运送箱涵或管片时，吊机在轨道梁上行走，通过压板和螺栓将载荷传递给桁架吊机梁，因此吊机工作时桁架吊机梁和轨道梁位移（变形）相同，桁架吊机梁和轨道梁根据各自的刚度分配载荷，也就是说，桁架吊机梁和轨道梁在载荷作用下会产生相同的位移值，不同的应力值，但都起到了抵抗吊机梁变形和破坏的作用。

在地下盾构施工设备设计领域，设计箱涵吊机梁结构，计算刚度和强度时，只计算桁架吊机梁的刚度及强度，而忽略了轨道梁的实际刚度和强度；把桁架吊机梁和轨道梁作为刚性连接处理，将桁架吊机梁和轨道梁作为一体建模；用截面法粗略计算桁架吊机梁的刚度和强度，并没有反映出轨道梁的刚度和强度。以往的设计中不考虑轨道梁而只计算桁架梁，或者将吊机桁架梁和轨道梁作为一体建模的结构计算或仿真方法存在着欠妥的地方。

技术实现要素：

为了克服现有技术中盾构机箱涵吊机梁结构设计中的上述缺点，分别计算桁架吊机梁和轨道梁的实际刚度和强度，为桁架吊机梁及轨道梁的设计提供可靠的依据，本发明利用ANSYS节点耦合模拟吊机梁中桁架梁和轨道梁的连接，提供了一种基于ANSYS节点耦合的盾构机箱涵吊机梁结构设计方法，箱涵吊机梁由桁架梁和轨道梁组成，两者通过螺栓和压板连接在一起，箱涵吊机工作时在轨道梁上吊载移动，其特征在于，包括以下步骤：

（1）利用有限元软件ANSYS中的梁单元BEAM188对箱涵吊机梁建立几何模型，赋予每根梁杆各自的截面参数和材料；

（2）几何模型建立完成后，通过ANSYS的网格划分功能，将几何模型离散为有限元模型，有限元模型建立完成时，吊机梁中的桁架吊机梁和轨道梁之间没有连接关系；

（3）利用ANSYS的节点耦合模拟桁架梁和轨道梁之间通过螺栓和压板连接的结构关系，在桁架梁和轨道梁每一个有螺栓和压板连接的位置，创建一个耦合对，分别选择桁架梁和轨道梁上的对应节点，让两个相互耦合的节点拥有相同的X和Y方向的平动自由度和绕Z轴的转动自由度；

（4）释放轨道梁Z轴方向的自由度，节点耦合完成后，通过加载求解模块对吊机梁边界条件及载荷进行施加，然后进行求解，待求解完成后，进入通用后处理模块，读取结果；

（5）将计算结果与设计规范或实际使用要求进行比较，判定吊机梁设计是否满足使用要求；

优选地，吊机梁型材为低碳钢Q345B；

优选地，在步骤5）中，还可以从解算后的模型中提取荷载，计算压板及连接螺栓是否满足使用要求。

本发明的基于ANSYS节点耦合的盾构机箱涵吊机梁结构设计方法，使用ANSYS的节点耦合模拟轨道梁和桁架梁的连接，很好的模拟出吊机轨道梁的受力情况，通过计算能够得到较为准确的吊机梁强度和刚度结果，为吊机梁及轨道的设计提供可靠的数据。

附图说明

图1为箱涵吊机梁结构示意图；

图2为箱涵吊机梁有限元模型图；

图3为箱涵吊机梁节点耦合图；

图4为箱涵吊机梁强度计算结果；

图5为箱涵吊机梁刚度计算结果；

图中所示：1、吊机梁，2、吊机桁架梁，3、吊机轨道梁。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

如图1所示，箱涵吊机梁1由桁架梁2和轨道梁3组成，两者通过螺栓和压板连接在一起，箱涵吊机工作时在轨道梁3上吊载移动；

本发明提供了一种基于ANSYS节点耦合的盾构机箱涵吊机梁结构设计方法，包括以下步骤：

（1）利用有限元软件ANSYS中的梁单元BEAM188对箱涵吊机梁建立几何模型，赋予每根梁杆各自的截面参数和材料；

（2）几何模型建立完成后，通过ANSYS的网格划分功能，将几何模型离散为有限元模型，如图2所示，有限元模型建立完成时，吊机梁中的吊机桁架梁和轨道梁之间没有连接关系；

（3）利用ANSYS的节点耦合模拟桁架梁和轨道梁之间通过螺栓和压板连接的结构关系，在桁架梁和轨道梁每一个有螺栓和压板连接的位置，创建一个耦合对，分别选择桁架梁和轨道梁上的对应节点，让两个相互耦合的节点拥有相同的X和Y方向的平动自由度和绕Z轴的转动自由度；

（4）释放轨道梁Z轴方向的自由度，节点耦合后的有限元模型如图3所示，节点耦合完成后，通过加载求解模块对吊机梁边界条件及载荷进行施加，然后进行求解，待求解完成后，进入通用后处理模块，读取结果；图4为吊机梁的强度计算结果，图5为吊机梁的刚度计算结果，不同的颜色分布代表不同的数值范围；

（5）将计算结果与设计规范或实际使用要求进行比较，判定吊机梁设计是否满足使用要求。

优选地，吊机梁型材为低碳钢Q345B；

优选地，在步骤5）中，还可以从解算后的模型中提取荷载，计算压板及连接螺栓是否满足使用要求。

与现有技术相比，利用本发明的基于ANSYS节点耦合的盾构机箱涵吊机梁结构设计方法，使用ANSYS的节点耦合模拟轨道梁和桁架梁的连接，很好的模拟出吊机轨道梁的受力情况，通过计算能够得到较为准确的吊机梁强度和刚度结果，为吊机梁及轨道的设计提供可靠的数据。

以上所述，仅为本发明的优选实施例，不能解释为以此限定本发明的范围，凡在本发明的权利要求书要求保护的范围内所做出的等同的变形和改变的实施方式均在本发明所要求保护的范围内。