登机桥结构的参数化有限元分析系统设计
2020-11-27梁秋荣
梁秋荣
（南宁学院，南宁530200）
0 引言
旅客登机桥是广泛应用于各大航空机场的辅助设备，它是连接侯机大厅和飞机机身的一种桥梁设备，为旅客提供舒适安全的出行体验。登机桥的结构型式多样，将有限元法应用到登机桥结构设计中，对其进行静动力学计算分析，可为登机桥的设计和选型提供可靠的依据。另一方面，登机桥结构是典型的梁、壳结构，系列化较强，根据登机桥结构系列化的特点，采用APDL 语言的参数化特性，对登机桥进行参数化建模和有限元分析。这样，对不同型号的登机桥进行有限元分析时，能够避免大量的建模、划分网格、加载等重复性工作。
1 登机桥参数化模型的建立
1.1 参数定义与参数输入界面的定制[1]
首先，把登机桥结构特征参数化。登机桥结构实物如图1 所示，其机械结构由旋转平台、活动通道、行走与升降机构及接机平台4 大部分组成，活动通道A、B 可相互伸缩。由于转台的刚度大于通道的刚度，并且可以以立柱为回转中心作摆动，其有限元模型可用图2 模型来表达，从中可提取出其结构特征参数，并利用TCL/TK 语言建立其参数输入界面如图3。
图1 登机桥结构实物
图2 登机桥有限元模型及参数
图3 尺寸参数交互界面
1.2 有限元模型的创建
本文采用自底向上的建模方法，即先创建关键点，然后依次生成对应的线，使用APDL 语言可以同时实现参数驱动，方便建模，提高设计和分析的效率。以下以A 通道为例。
（1）待获得的模型点阵如图4 所示。
图4 A 通道关键点序列
其关键点的分布具有一定规律性，创建的思路为分别定义X/Y/Z 坐标阵列akpx/akpy/akpz，其命令如下[2]：
! 定义A 节X 坐标阵列
*dim，akpx，array，na+1，1
akpx（1，1）=0
akpx（2，1）=la0
*do，i，3，na+1，1
akpx（i，1）=la0+（i-2）*l
*enddo
! 定义A 节Y 坐标阵列
*dim，akpy，array，4，1
akpy（1，1）=ha，0，0，ha
! 定义A 节Z 坐标阵列
*dim，akpz，array，4，1
akpz（1，1）=0，0，-wa，-wa
! 利用X/Y/Z 坐标阵列创建关键点
*dim，akp，array，4，1+na
*do，i，1，4
*do，j，1，na+1
akp（i，j）=（i-1）*（na+1）+j
k，akp（i，j），akpx（j，1），akpy（i，1），akpz（i，1）
*enddo
*enddo
利用类似的方式按一定编号序列创建其他部分的关键点。为了后面的模型处理，特殊点的编号需用单独点阵来记录其编号。
（2）待获得的模型线阵如图5 所示。
图5 A 通道连接线序列
部分程序如下：
! 定义A 段线编号阵列
*dim，alno，array，3，1
! 绘制A 主弦杆线
*do，i，1，4
*do，j，1，na
L，akp（i，j），akp（i，j+1）
*enddo
*enddo
! 获得主弦杆数量
*get，alno（1，1），line，，num，max
其中，为进行下一步材料设置操作，在创建线阵时同时创建矩阵alno（x，1）来记录各类杆的编号。利用类似的方式按一定编号序列创建其他部分杆并记录其起始编号。最后获得的有限元模型可参考图2。
2 求解前处理
2.1 材料参数
主体最常用材料为Q235，弹性模量和泊松比分别为2.06E11Pa 和0.3，密度为7 800 kg/m3。
2.2 指定单元类型和划分网格
结构的弦杆与直腹杆的各节点之间采用焊接，且均为刚节点连接，用ANSYS 中的BEAM188 单元模拟；斜腹杆是以铰链的形式与主弦杆相连接，用LINK180 单元模拟。各杆横截面尺寸由主界面单击按钮依次设置完成。定义各杆材料时，可借用线阵的编号序列。如定义主弦杆的材料及划分网格程序如下：
LSEL，S，，，1，alno（1，1），1
LATT，1，，1，，，，1
LESIZE，ALL，，，5，，，，，1
2.3 施加载荷及边界条件
（1）约束条件：A 段所连接转台轴线的两节点，除了Y 轴方向无转动约束外，其余自由度均被约束。升降架底部两节点为模拟与地面车轮接触，除了X轴方向移动外其余约束均限制。在绘制关键点时，通过GET 指令记录对应位置点的编号矩阵，在此处只需调用该矩阵定义约束即可。比如定义转台轴线节点的程序如下[3]：
*GET，akpmax，kp，，num，max
KSEL，akpmax+1，akpmax+2，1
DK，ALL，，，，0，UX，UY，UZ，ROTX，ROTZ，，
（2）A/B 段滑动连接：设置为耦合关系。共8 对耦合。运行的部分程序如下：
CP1=KNEAR（bkp（1，1））
ksel，s，，，bkp（1，1）
ksel，a，，，CP1
nslk，s
cp，next，uz，all
（3）施加载荷：模型包含了自重（L1）、风载（L2）、人荷载（L3）和雪荷载（L4），将4 种荷载定义为4 个载荷步。
3 有限元计算结果与分析
（1）静力学分析
分别施加和运行4 个载荷步，再考虑实际工况获得最大应力值。依据GB50009-2001《建筑结构荷载规范》分析，其最不利荷载工况为以下两种：
工况1：GK1=1.2L1+1.4L2+0L3+0.7*1.4L4（最大雪载，无人）
工况2：GK2=1.2L1+0.6*1.4L2+1.4L3+0L4（清除雪后，载人）
部分程序如下[3]。
! 工况1
/POST1
LCFILE，11，'LCASE1'，'L01'，''
LCFACT，11，1.2
LCFILE，12，'LCASE2'，'L02'，''
LCFACT，12，1.4
LCFILE，13，'LCASE3'，'L03'，''
LCFACT，13，0
LCFILE，14，'LCASE4'，'L04'，''
LCFACT，14，0.98
LCASE，11
LCOPER，ADD，12
LCOPER，ADD，13
LCOPER，ADD，14
LCWRITE，51
LCASE，51
PLNSOL，U，Y，0，1.0
分析结果为：工况1 下最大应力124.408，最大变形77.428 7。工况2 下最大应力92.542 9，最大变形47.853 7。
图6 工况1 应力分布图
（2）模态分析
获得各阶频率如表1 所列，其中1 阶频率为0，主要因为支撑架底座X 方向未受约束。
表1 各阶频率
4 结论
本文通过使用ANSYS 软件中前处理模块的APDL 参数化语言进行编程，实现了登机桥几何特征参数、材料性质、载荷及边界约束等的参数化赋值，并进行不同载荷和边界条件下的有限元分析，可缩短对各种结构参数的登机桥进一步分析计算。文中的程序也给类似零件的建模和分析提供了一定的参考价值。
