4.2 m摊铺机熨平板热结构耦合分析

2015-06-15孙志刚赵勇

筑路机械与施工机械化 2015年5期

孙志刚赵勇

摘要：对4.2 m小型液压伸缩摊铺机熨平板进行纵向变形分析、热变形分析、热结构耦合分析，发现应加装拉索或拉杆对熨平板加长段最外端进行加固，并提高熨平板的纵向刚度，增加板厚或增设加强筋，对悬挂箱体横梁与侧板连接处以及调节螺柱处进行改善，为后续熨平板结构改进和优化奠定了基础。

关键词：摊铺机；熨平板；变形；热结构耦合

中图分类号：U415.52 文献标志码：B

Analysis of HeatStructure Coupling of Screed of 4.2 m Pavers

SUN Zhigang1，2， ZHAO Yong2

（1. School of Management， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400067， China；

2. XCMG Construction Machinery Co. Ltd.， Xuzhou 221004， Jiangsu， China）

Abstract： Analysis of vertical deformation， heat deformation and heatstructure coupling was conducted on the screed of the 4.2 m hydraulic telescopic paver， and it is found out that the outer end of the extension part of the screed can be enhanced with a zipper or pull rod， and the vertical strength is also improved； the increase of screed thickness and the introducing of reinforcing rib will improve the joint of hanging box beam and later plate and the spot where adjusting stud is on. The suggestion provides a basis for structure improvement and optimization of screed.

Key words： paver； screed； deformation； heatstructure coupling

0 引言

摊铺机熨平板的主要作用是将前面螺旋布料器送来的松散、堆积的沥青混合料，按照一定的宽度、拱度和厚度，均匀地摊铺在路基上；其次，对铺层进行初步预压实[1]。由于熨平板与混合料直接接触，熨平板结构的刚度会直接影响到摊铺后的路面质量；而熨平板作业过程中既受纵向沥青混合料工作阻力的作用，又受到熨平板底板高温热载荷的作用，情况较为复杂。为获得熨平板综合变形情况，需对其进行热结构多物理场耦合分析。

在对熨平板结构刚度分析方面，冯忠绪[23]等分析了9 m熨平板的纵向变形，通过试验分析垂向变形，提出了减小变形量的相应措施；并对10 m熨平板进行热变形分析，提出了热变形补偿措施。侯有良[4]研究了12 m机械拼装熨平板在静力、热变形和激振力作用下，其拉杆安装位置和组合方式对熨平板变形的影响。上述文献主要针对单一物理场下熨平板结构的变形情况进行了研究，而对于多场耦合下小型熨平板结构的变形分析，目前尚不多见。笔者基于42 m小型液压伸缩熨平板的结构和工作参数，分析了其纵向变形和热变形，并在此基础上对其在热结构耦合下的综合变形进行分析，找到了该结构刚度较薄弱的环节，为后续减小熨平板变形量、提高作业质量以及进一步拓宽该熨平板的摊铺宽度提供了理论参考。

1 热结构耦合分析的基本思路

耦合分析分为直接耦合分析和间接耦合分析。直接耦合分析是指利用包含所有与耦合场相关的自由度的耦合单元类型，通过求解包含所需物理量的单元矩阵或载荷向量的方式进行耦合，通常一次分析便能得出所需的耦合场分析结果；间接耦合分析是指按照顺序进行两次或多次相关场分析，获得所需的耦合场分析结果。间接耦合通常是将第一次物理场分析的结果作为第二次物理场分析的载荷，以此来实现两种场的耦合。

对于热结构耦合分析而言，推荐使用间接法，因为这种方法可以使用所有热分析和结构分析的功能[5]。热结构间接耦合分析一般先根据温度边界条件对结构进行热分析，然后将热分析得到的节点温度结果作为“温度载荷”施加到后续的结构应力分析中，从而得到温度载荷下结构的热膨胀位移和应力。由于摊铺机熨平板工作时要对其进行充分的预热，因此，可以认为熨平板的分析类型为稳态热分析，且基于如下能量平衡方程

[K]{T}=[Q]（1）

式中：[K]为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率（本文未考虑）和形状系数；{T}为节点温度向量；[Q]为节点热流率向量，包含热生成。

基于线性静力结构分析的平衡方程为

[K]{x}=[F]（2）

式中：[F]为静力载荷，不考虑随时间变化的载荷和惯性的影响；{x}为位移矩阵，即需要求解的熨平板结构的变形量；[K]为刚度矩阵，假设材料满足线弹性和小变形理论。

整个分析流程如图1所示。

图1 热结构耦合分析流程

根据使用软件的不同，上述分析流程略有差别，但最终都是将热分析的结果作为温度载荷施加到结构场中，从而获得耦合场的分析结果。

2 熨平板纵向变形分析

摊铺机在作业时，沥青混合料对熨平底板产生摩擦阻力，熨平板推移混合料时产生移动阻力，二者共同形成熨平板的工作阻力，从而使其两侧产生向后的弯曲变形，且摊铺宽度越大，变形现象越严重。endprint

对于大型摊铺机熨平板，因摊铺宽度通常在9 m以上，一般在其两端安装有拉索，选择合适的拉索预紧力和拉索作用位置能够有效地改善熨平板的纵向变形情况；而对于42 m小型熨平板，其摊铺宽度较小，通常不设置拉索，而是做成悬臂的形式。

图2为4.2 m小型液压伸缩熨平板的结构，其主体主要由3段构成，分别是基础段、伸缩段和加长段。熨平板结构整体采用Q345普通碳钢材料，材料属性如表1所示。

在进行有限元分析前，为了便于加载，对边界条件的施加作如下假定。

（1）工作阻力按均布力加载在熨平板底板各段后端1/3处，方向与底板成3°夹角，并指向摊铺机前进方向的反方向[6]。

（2）工作阻力的载荷集度近似按1 t·m-1进行计算。

（3）在大臂连接板处施加固定约束。

基于上述设定，对该摊铺机熨平板进行静力分析，得到熨平板结构的纵向变形云图，如图3所示。

图3 纵向变形云图

由图3可见，熨平板两侧产生向后的弯曲变形，最大变形发生在加长段最外端，数值为8.280 8 mm，这是由于加长段处在熨平板的最外端，且无拉索加固，因而该处变形量较大。

3 熨平板热变形分析

熨平板的热变形是由于熨平板在摊铺作业过程中，底板与高温的沥青混合料相接触而产生热膨胀，而熨平板结构各部分的温度分布不均，使得各部分受热后的膨胀变形量不一样，最终导致底板产生向上的翘曲变形。

确定熨平板的热变形需进行两方面的计算：按照热传导理论，根据熨平板的热学性质、内部热源、初始条件和边界条件，计算出弹性体内各点在各瞬时的温度，而前后两个温度场之差就是弹性体的变温；按照“热弹性力学”，根据弹性体的变温求出熨平板各点的温度应变[7]。因此，首先应进行稳态温度场分析。设环境温度为22 ℃，忽略热辐射，熨平板底板温度按沥青混合料的温度设定，约为150 ℃，Q345碳钢材料的线膨胀系数设为123×10-5 m·℃-1，导热系数设为42.6 W·（m·℃）-1。经计算得到熨平板结构的温度场分布云图，如图4所示。

图4 温度场分布云图

可见，稳态下熨平板温度自底板至上部，由150 ℃逐渐衰减到环境温度22 ℃。进一步设置熨平板与周围空气间的对流传热系数为8 W·m-2· ℃-1，并在大臂连接板处施加固定约束，计算得到熨平板的热变形，如图5所示。

图5 热变形云图

由图5可知，熨平板各段尤其是加长段发生了向上的翘曲变形，最大变形发生在加长段最外端，变形量为3867 8 mm。这是由于加长段的外端为自由端（类似悬臂梁式的结构）所致的。同时，可以作出熨平板底板各段的热变形量沿各板长度方向的变化曲线，如图6所示。

图6 熨平板底板各段的热变形量曲线

可见，熨平板加长段由于最外端没有约束，其热变形量较伸缩段和基础段的热变形量大，且变化急剧，越靠近外端变形量越大；而伸缩段和基础段由于受两端侧板的约束，其热变形的趋势相对平缓。

4 熨平板热结构耦合变形分析

熨平板在摊铺作业过程中，一方面受到摊铺物料对其向后的工作阻力作用而发生向后的纵向变形；另一方面受到高温沥青混合料的温度载荷作用而发生向上翘曲的热变形。为获得熨平板的综合变形情况，需要同时考虑结构场和温度场因素，进行多物理场耦合分析。对于本例，按图1分析流程，首先进行热分析，求得结构的温度场；然后将模型中的单元转变为对应的结构分析单元，并将上一步求得的热分析结构当作体载荷施加到节点上；最后定义其余结构分析需要的选项，进行结构分析，从而求出熨平板的综合变形。

经热结构耦合分析，得到熨平板的综合变形云图，如图7所示。

图7 综合变形云图

由图7可见，最大变形发生在熨平板加长段最外端，方向朝向后上方，大小为10.101 mm。这是由于熨平板受多物理场载荷的共同作用所致。表2列出了对该摊铺机熨平板分析获得的纵向变形、热变形和综合变形情况。

分析发现，在悬挂箱体横梁与侧板连接处以及调节螺柱处的应变能较大，因而这些部位是刚度较薄弱的部位。同时，这些部位也是连接和传递载荷的位置，因此需在后续设计和结构改进中加以注意[8]。

5 结语

（1）经对4.2 m小型摊铺机熨平板进行热结构耦合分析，得知其最大变形量发生在熨平板加长段最外端，这是由加长段类似悬臂梁的结构所决定的，可考虑加装拉索或拉杆进行加固，以提高该部位的刚度。

（2）通过对该摊铺机熨平板的纵向变形、热变形以及热结构耦合下的综合变形的计算和比较，可知纵向变形相对较大。因此，提高熨平板的纵向刚度是控制变形的关键。

（3）通过分析获得了熨平板结构刚度较薄弱的部位发生在悬挂箱体横梁与侧板连接处以及调节螺柱处，可考虑增加板厚或增设加强筋对该部位进行改善，以达到减小熨平板结构变形量的目的。

参考文献：

[1] 李自光，展朝勇.公路施工机械[M].第二版.北京：人民交通出版社，2005.

[2] 冯忠绪，杨力超，武晓晓，等.基于ANSYS的摊铺机熨平板装置变形分析[J].中国工程机械学报，2010，8（3）：298302.

[3] 冯忠绪，王林林，赵利军.熨平板温度场分析及热变形补偿技术[J].中国工程机械学报，2007，5（3）：313316.