I-DEAS在架空索道线路支架结构设计中的应用

李 毅，王 宇，刘 静

(1．吉林电子信息职业技术学院，吉林 吉林 132021;2．吉林机械工业学校，吉林 吉林 132011)

0 前言

随着我国现代化建设事业的蓬勃发展，客运架空索道作为一种新型而方便的交通工具也日益发展成熟起来。而作为索道重要部件之一的线路支架的安全可靠直接关系到架空索道运输的安全性。因此，对客运架空索道线路支架进行强度、刚度及稳定性分析已经成为设计、制造的关键。

对索道线路支架的强度、刚度进行计算的方法有两种，一是用实体结构解析法;二是将整个结构简化为理想的数学模型，用离散化网格代替连续实体结构进行分析计算的有限元法。解析法只能得到局部的应力、位移情况，而无法了解线路支架受载时的整体应力、应变分布规模。因此，设计时，只能根据计算结果加大安全系数。这样处理，固然安全，但却大大增加了不必要的材料消耗。有限元法正好克服了解析法存在的问题。因此，本文采用参数化有限元分析法来处理某索道线路支架的计算问题，计算软件选用大型有限元分析软件I－DEAS。

1 线路支架有限元模型的建立

本索道地处海拔3400～4400 m之间，线路分为下段和上段，形式均为单线固定抱索器脉动循环式，线路最大运行速度均为4.0 m/s。线路支架由塔柱、横担、扶梯等组成，是线路托(压)索轮组及承载牵引索的安装基础和支撑体。14 m以下支架采用单柱圆管结构，超过14 m的支架均采用三柱圆管钢架结构，下大上小，底部与混凝土基础的预埋螺栓相联。本文对索道上段5号三圆柱支架进行分析计算，三圆柱支架主要部件采用的材料为Q235，其实物结构如图1所示，机械特性见表1。

图1 三圆柱支架实体结构图Fig.1 Physical structure mapping of three-column stand

表1 材料机械特性表Table 1 Mechanical characteristic of materials

1.1 线路支架的实体造型

实体建模的过程中，使用多个布尔运算按历程组成一个庞大的树形图，综合线框模型、实体造型以及高级曲面造型进行实体建模。建立了索道上段5号三圆柱支架的实体模型如图2所示。

1.2 线路支架的有限元网格处理

由于三圆柱支架结构较为复杂，为了便于网格划分，本文在结构离散化之前，对线路支架受载较小的局部区域作了一定简化。在不影响主要结构研究的前提下，对支架做简化处理:(1)由于支架立柱各段连接处的法兰采用高强度螺栓连接并进行保护性施焊，故假设支架立柱各段间为刚性联接，并不考虑结合面及联接螺栓接触面的相对变形。即将整个立柱作为一个整体进行分析，如图3所示。(2)忽略线路支架头上的护栏以及立柱上的爬梯等附属件。考虑到支架的主体结构是由细长的空心管装配成一个整体结构，所以在建立模型时简化为梁单元，而筋板则简化为壳单元。

根据以上计算模型的处理方案，按不同部件确定单元材料，同时采用映射网格及自由网格划分方法。考虑到支架立柱及拉杆较长且规则，故利用映射网格方法，采用六面体实体单元对其进行单元划分，而对其余形状不规则的部分，利用自由网格划分方法，采用四面体实体单元对输入轴进行有限元网格的自动划分，如图4所示。

1.3 线路支架所受载荷

图4 线路支架整体有限元网格Fig.4 Finite element grid of rout stand

线路支架的受力比较复杂，除自重外，还有两侧承载索产生的作用合力、支架及钢丝绳所受风力，索道运行过程中，两侧重载和轻载交替出现，因此钢绳对线路支架会产生附加弯矩。故对于受复杂载荷作用下的支架，如果对所有工况进行分析计算，工作量太大，也无此必要。在某些情况下线路支架受力较小，在实际计算时只对受力较大的工况进行分析计算。根据三圆柱线路支架分别在工作状态及非工作状态下承受长度、宽度和高度三个方向集中载荷以及所受风载情况，求解整个系统的应力及变形。三圆柱支架受力工况见表2，受力情况如图2所示。

表2 线路支架载荷工况表Table 2 Working condition list ofrout stand load

1.4 线路支架的约束及计算模型

本文只对线路支架进行分析，不考虑地基等受力情况。根据实际约束状况，将索道线路支架的约束加在其底座，将其完全固定。根据六种工况，分别加载。图5与图6分别为工况1、工况2加入载荷及位移约束边界的有限元计算模型。

图5 工况1的计算模型Fig.5 Calcultion model of working conditionⅠ

2 线路支架的有限元分析结果

利用I-DEAS软件对计算模型进行有限元分析，结果用软件中的后处理模块进行数据整理和图形显示。索道线路支架在六种载荷情况下的最大综合位移、X向位移、Y向位移、Z向位移最大值见表3。

图6 工况2的计算模型Fig.6 Calcultion model of working conditionⅡ

表3 线路支架最大位移Table 3 Maximum displacement list of rout stand

线路支架在六种工况下的各种应力最大值见表4。综合表3、表4的结果，综合位移和等效应力值都在设计许可的范围里面，而且应力和应变都比较均衡，说明这种三圆柱支架的结构比较合理，是一种值得推广的线路支架结构。

表4 线路支架应力最大值表Table 4 Maximum values of stress on rout stand

3 结论

从该条索道上段5号三圆柱支架的有限元分析过程和结果可以得出以下结论:

(1)架空索道线路支架的有限元分析对索道系统的设计是非常重要的，其计算结果对设计方案的确定有很大的参考价值。本文对架空索道线路支架的有限元分析方法进行了较为详细的讨论，从力学模型的简化、工况约束处理等方面提出了切实可行的方法。

(2)从表3六种工况下线路支架的最大位移可以看出:由于采用了三圆柱支架结构，线路支架在各个工况下的综合位移相差不大。这表明此种支架的优点是对于各种载荷的变形是比较稳定的，这样大大降低了材料的疲劳破坏，延长了线路支架的使用寿命。

(3)从表4线路支架的等效应力值看出:在工作状态和非工作状态下，线路支架的等效应力值分别几乎相等，这说明了三圆柱线路支架受力比较均衡。而工作状态和非工作状态的等效应力值相差并不很大，避免了对钢丝绳和线路支架的破坏。

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