学生姓名：吴宝宁

班班级级：机械2018-04班

指导教师：刘放

毕设题目：伸缩式可变跨距隧道工程栈桥设计与仿真分析

 

 

一、概况

1.选题意义

本论文设计和仿真分析工作有利于学生熟悉结构和机构的设计方法，旨在锻炼学生对数学模型的建模和仿真分析能力，巩固基础理论知识，培养利用3D建模软件、ANSYS软件对实际问题进行建模分析的能力；同时锻炼学生对驱动机构的设计能力，提高综合利用所学知识解决生产实际问题的能力。例如运用三维建模软件完成模型的建立，组装装配图能更直观的观察到装备的基础结构及其基本的作用等。同时应当对危险接触面的零件进行强度和刚度的校验。理论分析载荷能够使整个毕业设计从理论上站住脚，同时可以获得载荷应该施加的地点，为下一步进行静力学分析奠定基础。

在毕业设计的锻炼和继续学习中，能进一步巩固和拓展学生的专业知识，丰富学生处理实际问题的经验，为今后的工作打下基础。同时，本文的研究结果可以直接反馈到现实的生产应用当中，检验设计的合理性。

2.任务分解

（1）了解高铁隧道施工方法、隧道安全施工各类设备的发展和应用现状，掌握其设计方法；

隧道施工由于机械化快速施工技术体系尚未完成，许多关键技术难题尚未取得突破，导致施工进度差别很大，事故隐患较多。现在的栈桥针对关键工序布局的难题，应可提供仰拱开挖、支护，仰拱衬砌，仰拱填充施工三个作业区间，各工序间可形成流水作业、并行作业，要能加快仰拱施工进度，提高隧道施工效率。同时，该设备也应当保证隧道施工安全步距的要求，防止在施工过程中因作业范围狭窄导致出现安全事故。其设计方法应从所需跨距，所承受的工作载荷着手，合理设计桥体主体结构，设计其伸缩装置并检验结构的强度、稳定性等。

（2）按照本论文的目的、意义和任务要求，撰写大纲，交指导教师审定；

本论文应完成的是能根据隧道断面施工满足隧道开挖、衬砌、运输等施工工序并解决施工安全步距，加快仰拱施工进度，提高施工效率的装备的设计。根据任务要求分配各个任务时间并撰写开题报告。       

（3）根据某隧道断面尺寸施工要求，设计栈桥伸缩式可变跨距结构主要参数，并建立三维实体模型；

三维实体模型总体分为主梁、伸缩梁、枕梁和载车板、中支撑等四个大板块。

首先，主梁在装备中同时起支撑和滑动的作用，主梁里侧下端设有轮槽，伸缩梁上的侧向滚轮可以在槽里滑动，伸缩梁上的垂向下滚轮与主梁上里侧的滑槽相接触，可以在其上进行滑动。同时主梁在设备中承载了大部分的承接力，并传到中支撑部分。

伸缩梁部分包括伸缩梁、伸缩梁尾部挂接、侧向滚轮、垂向上滚轮、垂向下滚轮等五个零部件。伸缩梁与伸缩梁尾部挂接固结在一起，三个滚轮分别安装在伸缩梁尾部挂接上，侧向滚轮、垂向下滚轮与主梁接触，可以在其上滑动。伸缩梁在结构中主要是起伸缩传递的作用，可以将施工设备自由的传送至所需施工的地点。

枕梁和载车板部分设有八个枕梁，均置于伸缩轨上，三段载车板置于枕梁上，载车板上即可承载施工机械，跟随伸缩机构往前。主动链轮箱和被动链轮箱分别安装在前枕梁和中间枕梁下端，通过电机驱动可以带动链轮箱进一步带动伸缩机构运动。链条托板可以在一定程度上可以增加包角，同时防止链条垂落，防止污染链条。

中支撑部分位于整个装备中部，起支撑作用。包含有一个固定支腿，支撑在地面上；一个伸缩支腿，可以调节装备离地高度，与固定支腿固结；横移垂向支撑横梁安装在伸缩支腿上；滚动支撑横梁通过两个横移固定安装在横移垂向支撑横梁上，其上又有滚轮主梁支撑和滚轮伸缩梁支撑，在支撑主梁、伸缩梁的同时可以支持梁在其上滑动。

（4）建立隧道施工中施加于栈桥的外载荷的力学模型，进行理论分析栈桥在工作过程中可能会受到的外载荷；

在装备运行过程中，常见的作用力包括内力（轴向力、剪力、弯矩等）、外负载等，会产生挠度、变形、应变等作用效应。通过理论分析所受载荷的方向，获得施加载荷的作用点在哪里，得到关于结构里的作用效应，进一步得知在机构工作时它的危险截面在哪里，理论计算在危险截面处是否会失效等，为下一步进行静力学分析打下基础。

（5）基于有限元分析软件ANSYS，针对栈桥结构的强度、刚度和模态进行仿真；

进行ANSYS分析之前需要先对装配体中架空的零件进行处理，其次对里面的圆角倒角等进行简化处理。通过载荷理论分析的结果，对模型施加载荷，进行静力学分析、模态分析等。在分析时，可先对栈桥进行整体分析，随后可以把主梁、伸缩梁等关键部件再进行一次单独的模态分析。待获得结果后再与所得理论数据进行比对。

（6）对仿真分析结果和设计数据进行分析总结；    　　      

（7）按照《西南交通大学本科生毕业论文撰写规范》完成撰写毕业论文；

（8）准备答辩的相关资料。

二、已完成工作

1.完成了项目前期课题研究以及文献查阅等任务；

2.完成了开题报告以及文献翻译等任务；

3.完成了项目模型设计及其3D建模等任务；

4.不仅完成了项目所需的各个零件的设计及模型的建立，还完成了整个装配体的装配。对整个设计的二维总图有了全面的认识，了解了各个数据之间的联系及其所承担的作用。

 

图2 伸缩式可变跨距隧道工程栈桥轴测图

如图2所示，伸缩式可变跨距隧道工程栈桥的总体模型已全部完成，包括前支撑、中支撑、后支撑、主梁、伸缩梁等等部件的模型。在该装配体中，需要对每个零件进行合理的设计，既需要使零件满足强度要求，又需要满足工程实践。

 

图3 主梁截面

如图3所示，主梁采用箱型梁结构，其内部每隔2000mm内置10mm隔板，对主梁的外部结构起着支撑加强的作用。

 

图4 伸缩梁

如图4所示，伸缩梁主体采用三根并排的通过两端的薄刚板焊接在一起的工字梁构成，在节省材料减轻重量的同时也能起到承载的作用。

 

图5 中支撑部分

如图5所示，中支撑部分在整个模型中起着支撑的作用，不论是在空载情况下抑或是受外载荷的情况下都分担了较大一部分力。除上述模型以外，还有载车板、枕梁、链轮箱、滚轮等等零件，这些零件都在其各自的位置上发挥了巨大的作用

5.完成了载荷的设计与计算

（1）外载荷的设计

设计外载荷为63吨，通过自卸车的轮子施加在栈桥上。自卸车参数选用徐工XDA30铰接式自卸车。前中轮轴距为4160mm，中后轮轴距为1700mm；满载时前桥分配30%的重量，后桥分布70%的重量。最大爬坡度45%，能满足驶上栈桥的坡度要求。

（2）工况的分析与计算

栈桥状态为最大伸展状态，即主梁与伸缩梁均全部伸出。

工况一：小车刚行驶上斜梯板上时

如图６示，已知斜梯板全长为7000mm，与地面夹角为8°，自卸车前后桥距为5010mm。

 

图６　工况一

在此位置下有方程

 

 

可解得

又有

 

可得

工况二：小车驶上斜梯板与载车板交界处时

工况三：小车行驶在主梁中间时

工况四：小车行驶在主梁与伸缩梁之间的斜梯板上时

工况五：小车行驶在伸缩梁上时

其他工况：主梁横移；栈桥不完全外伸等。

三、下一步工作计划

1.把栈桥的各个工况进行合理分析并继续完成对整个结构的力学分析等，主要包括前支撑、中支撑、后支撑等支座的受力情况等，以及主梁、伸缩梁、枕梁、载车板、滚轮主梁支撑等主要承受载荷的零件的应力分析等；

2.对装配体进行模型的简化，除去模型中存在的圆角倒角以及不规则部分模型，方便后续在ANSYS分析中进行网格划分时能得到有效解；

3.对简化后的模型进行ANSYS静力学分析，先进行整体的静力学分析找出应力应变发生的最大的位置，再对危险零件进行个别的强度分析。在得到结果后与理论分析内容进行比对；

4.进行毕业设计论文的撰写并查漏补缺。

 

问题一：你目前做了哪些任务？

回答：到目前为止，我已完成文献的查阅、外文文献的翻译、项目模型的二维参数设计及其3D模型的建立，包括各个单个零件的模型和总装配体的构建，还完成了论文框架的构建、栈桥工况及外载荷的理论计算等任务。

问题二：你接下来的项目规划是什么？

回答：接下来的规划是继续完善对整个栈桥的理论上的力学分析，并在其后同步进行ANSYS模态分析以及论文的主体内容的撰写等。

 

在本次中期检查中，我了解到了自己在做毕业设计工作过程中的不足，如时间分配不合理，模型参数设计有误等。在毕业设计前期，花费了太多的时间和精力在模型设计以及模型的建立上，导致理论分析计算工况和载荷的时间相对比较紧迫。除此以外，在答辩过程中看见了其他同学的模型让我深受启发，之前一些在设计参数上遇到的问题得到了有效印证，比如箱型梁的各处板厚设计等。通过中期检查评委老师的指导，我更加清晰的知道了自己接下来的工作重心，更加了解了在某些细致问题上该如何去处理。在于老师的交流过程中得知理论分析的内容不需要做的太细，可以通过软件的运用来解决载荷分析上的难题，为接下来我的工作指明了方向。随后，我将会重点做ANSYS分析以及毕业论文的撰写，争取在五月一号之前完成论文初稿的写作。

在后续的毕业设计的工作中，我将会加强跟指导老师的交流。同时，由于课题研究经验不足，我将会和同学们共同探讨在毕设工作中出现的问题等，通过广泛的交流来解决共同的问题。