基于有限元桥梁伸缩缝清理器械的优化设计

王义平

(新疆奎屯公路管理局)

基于有限元桥梁伸缩缝清理器械的优化设计

王义平

(新疆奎屯公路管理局)

针对当前工作中使用的桥梁伸缩缝清理器械的缺陷，采用面向制造的先进技术，运用UG、ANSYS软件对桥梁伸缩缝钩刀进行了CAD/CAE建模和力学特性研究，得到了钩刀单元的应力分布，从改善力学特性的角度提出了钩刀的优化设计方案，优化后分析结果肯定了优化方案的可行性。

有限元;桥梁伸缩缝;清理器械;优化设计

0 引言

桥梁伸缩缝主要用来调节由车辆荷载环境特征和桥梁建筑材料的物理性能所引起的上部结构之间的位移和上部结构间的联结。桥梁伸缩缝的养护一直是公路养护工作中的难点之一，目前市面上通常采用的方法主要有:(1)采用铁钎将伸缩缝里面的灰尘、砂石撬出，然后用扫帚清扫;(2)首先用竹片桩的尖端把伸缩缝中的橡胶皮用力刮一遍，然后利用吹风机吹一遍;(3)采用钢铁等材料制作的清理工具刮除伸缩缝中杂物;(4)上海法赫公司生产的采用高压水射流清洗伸缩缝的清洗机，75 000元/台。从这些方法中，可以发现部分“设备”的实用性不强，工作器械较为原始，操作中对伸缩缝里的橡胶条产生损坏较大;部分较先进的设备技术性强，但经济成本较高无法普及使用。

目前工作单位所使用的桥梁伸缩缝清理器械为2009年自行研制的的桥梁伸缩缝钩刀，主要原理是上述第3种方法，经济、方便，但由于设计外型使得操作中容易造成钩刀刮伤伸缩缝中的橡胶条，以及外形的力学性能缺陷使得该器械逐渐停用。针对该问题，本文在均衡技术和经济的条件下，采用面向制造的先进技术对钩刀进行力学特性研究，找到钩刀的薄弱部位并进行优化再设计。

1 本文研究的技术流程

面向制造的设计技术是先进制造技术中的主体技术，主要包含:产品、工艺过程和工厂设计;快速成型技术;并行工程等。在产品的全生命周期中为了提高产品的设计效率和质量，往往使用一些先进的工具(如CAD系统，CAE软件等)采取协同方式对产品进行优化设计。本文采用面向制造的技术，对钩刀的实体模型，划分网格采用有限分析法进行研究和优化，具体流程如下:

(1)建立钩刀的三维CAD模型;

(2)建立钩刀的有限元模型;

(3)进行钩刀力学特性分析;

(4)对原模型进行优化设计;

(5)对优化模型力学再分析直至消除应力集中区域;

(6)优化设计结束。

2 建立钩刀的三维CAD模型

UG是Unigraphics Solutions公司推出的集CAD/CAM/CAE于一体的三维参数化设计软件，在汽车、交通、航空航天、日用消费品、通用机械及电子工业等工程设计领域得到了大规模的应用。它提供了一个基于过程的产品设计环境，使产品开发从设计到加工真正实现了数据的无缝集成，从而优化了产品的设计与制造。

对伸缩缝钩刀进行研究，首先要建立伸缩缝清理器械的三位CAD模型。根据伸缩缝钩刀的实际尺寸和形状，运用UG软件建立钩刀的三位实体模型。

3 伸缩缝清理钩刀的有限元模型

随着计算机的飞速发展，限元法(FEM)也得到了长足的进步和广泛应用。有限元法的基本思想是先将求解域离散成有限个单元，用有限个单元的集合近似代替原连续求解域，对每个单元选择一个简单的近似场函数，建立单元节点平衡方程并求解。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。它是由美国有限元分析软件公司ANSYS所开发，功能强大，主要包括前处理模块、分析计算模块、后处理模块。

将伸缩缝钩刀的UG模型导入有限元软件ANSYS中，设定属性参数，对三位CAD模型进行网格划分，建立钩刀的有限元模型。

4 力学特性研究和优化设计

根据在养护作业过程中，使用钩刀清理伸缩缝时钩刀刀面与路面夹角的大小将影响钩刀的整体受力情况。以成年男性使用钩刀为例，采用有限元方法对钩刀进行力学分析，应力范围0 ～355.952 Pa。

从应力分布图可见，钩刀应力集中区域主要在刀杆顶部(载荷施加处，分析时排除)、刀杆下部的弯角部位，弯角前后部出现应力最大值约356 Pa。钩刀清理杂物时，杂物一般较小或零碎，对刀面的破坏性极小，即使在清理重物时，刀面也不存在较大变形，不会影响刀面功能，而在重物作用下刀杆两端受力较大，当刀杆下部达到疲劳强度极限时，在弯角部分易先出现裂纹而破坏。

在实际养护过程中发现，钩刀刀面两侧边会划伤桥梁伸缩缝中的橡胶条，主要原因为刀尖尖锐易戳伤橡胶条，刀面侧边缘没有采取倒圆设计处理，刀面侧边棱角易划伤橡胶条。

为进一步解决实际使用过程中存在的问题，对桥梁伸缩缝钩刀从力学性能和实用性上进行优化设计。对刀尖采取拓宽处理，刀面边缘采用倒圆角处理，对优化后钩刀采用同样条件有限元分析。

优化后钩刀的三维CAD模型，刀面前端不易因单点受力而划伤橡胶条，且前端工作面增大将更加提高工作效率，刀面侧边缘倒圆处理能更有效地保护橡胶条。

优化后钩刀应力集中区域主要在刀杆顶部(载荷施加处，分析时排除)。其他区域应力相对不大，优化后刀杆下部应力明显减小，处于67～135 Pa范围，而优化前刀杆下部应力处于158～237 Pa范围。可见优化后的钩刀杆部应力的最大值也远小于优化前的值，说明从力学特性来考虑该优化方案是可行的。

5 结束语

采用面向制造的先进技术对道路桥梁伸缩缝养护中实际使用的钩刀进行了深入研究，找到了伸缩缝钩刀的薄弱部位并进行了优化设计，这不仅有利于养护器械的技术创新，更有利于道路养护工作的高效开展。

［1］陕西公路局.公路桥涵养护规范(JTG H11－2004)［S］.2004.

［2］张世昌.先进制造技术［M］.天津大学出版社，2004:7－9.

［3］王义平，孙文磊，赵群.面向制造的技术在股骨转子间骨折手术中的应用研究［J］.机械设计与制造，2010，(9).

U418.3

C

1008－3383(2012)08－0089－01

2012－03－28

王义平(1985－)，女，四川眉山人，研究方向:公路交调设备、养护机械的管理、维护及应用研究。