用于智能物流搬运的桥梁结构设计

□ 马洪辉 □ 冯益聪 □ 董宇杰 □ 吴小涛 □ 顾 勇

杭州师范大学钱江学院 杭州 310036

1 设计背景

在人类文明的发展史中,桥梁的建设占据着十分重要的位置,是人类文明的产物。中国古代桥梁拥有辉煌成就,在世界桥梁历史上绚丽多姿,体现了人类社会的进步与发展[1-6]。智能物流系统指在智能交通系统基础上,以电子商务方式运作的现代物流服务体系。智能物流搬运系统是借助于搬运的智能物流体系。

全国大学生工程训练综合能力竞赛是全国性大学生科技创新实践竞赛活动,竞赛过程包括理论设计、实际制作、整车调试、现场比赛等环节,要求学生组成团队,协同工作,初步体会工程性研究开发项目从设计到实现的全过程。笔者以第七届全国大学工程训练综合能力竞赛智能物流-桥梁结构设计组别的命题为背景,设计用于智能物流搬运的桥梁结构。桥梁上承载小车,小车最大承载质量为30 kg。根据给定桥梁区间尺寸长800 mm、宽180 mm、高250 mm,设计单跨桥梁结构,要求桥梁材料采用本色侧压双层复压竹皮,单张竹皮厚度不大于 0.5 mm,力学性能参考值中,弹性模量为10 GPa,抗拉强度为60 MPa。

2 桥梁结构建模

竞赛对桥梁的质量有要求,以桥梁最小的自身质量来承担最大的载荷。首先考虑桥架杆件结构,由于三角形结构具有较好的稳定性,因此桥架杆件采用三角形结构。所有杆件尽量通过较短的长度来换取中心位置的降低。杆件长度减小,降低杆件的长径比,使杆件临界受力强度增大,杆件更加稳定。基于以上因素,利用竹皮制作杆件来搭建桥梁,总质量为0.2 kg。最终设计的单跨桥梁结构模型如图1所示。

▲图1 单跨桥梁结构模型

3 仿真分析

仿真分析采用ANSYS Workbench有限元计算软件。按照竞赛设计要求,桥梁上小车的行驶速度较慢,因此不考虑桥梁所受载荷的动态效应,整体分析属于静力学范畴[7]。

根据桥梁结构模型实物形状,利用SolidWorks软件建立几何模型。建模完成后,将模型保存为.stp格式文件,为导入ANSYS Workbench 软件做好准备。根据桥梁的实际受力工况,桥梁的四角属于与地面固定端,桥面中心受载,以检验桥梁应力与变形位移情况为主。

分析时采用静力学模块,网格全局单元大小为5 mm,采用六面体网格,单元类型采用二次减缩积分单元。桥梁在受压工况中,采用二次单元能够有效避免线性单元所导致的刚度锁紧问题,提高计算结果的精度。对桥梁进行网格划分,一共生成12 930个网格、51 122个节点。桥梁结构模型网格划分如图2所示。针对桥梁的四个底边,采用约束。考虑到桥梁的中间位置为危险位置,选择在桥面的中间位置施加300 N载荷,来综合检验桥梁的安全性。

▲图2 桥梁结构模型网格划分

有限元前处理完成后,根据计算机性能设置相应的线程数和内存,提交计算。计算完成后,进入后处理模块,对桥梁的应力及变形进行计算。

桥梁上行驶小车,一般认为小车行驶至桥梁中间时,桥梁截面最具有危险性,是危险截面[8]。对此,在受力分析时,在桥梁中间位置施加集中载荷,分析桥梁的受力。桥梁结构的等效应力云图如图3所示。应力分析结果表明,桥梁中间部分所受的应力最大,达到40.699 MPa。

▲图3 桥梁结构等效应力云图

桥梁结构的变形云图如图4所示。桥梁为对称结构,桥梁的中部位置变形最大,达到4.242×10-2mm。通过计算,这一数值相对于桥梁的整体高度,相对变形量为0.016%,对桥梁挠度的影响不大,可以认为桥梁是安全的。

桥梁结构在受载过程中的法向应力云图如图5所示。桥梁的中部位置所受法向应力最大,达到11.88 MPa,低于竹皮材料的抗拉强度,所以从法向应力方面考虑,桥梁也是安全的。

▲图4 桥梁结构变形云图

▲图5 桥梁结构法向应力云图

4 试验验证

为了模拟竞赛环境,笔者制作了桥梁承载试验装置,如图6所示。试验结果表明,当在桥梁中部的承载砝码加载到30 kg,并保持静载荷时间10 s时,桥梁未出现大的挠度变化,卸载后各杆件完好无损。这一结果与软件模拟结果类似。

▲图6 桥梁承载试验装置

5 结束语

笔者以第七届全国大学生工程训练综合能力竞赛智能物流-桥梁结构设计组别的命题为背景,设计用于智能物流搬运的桥梁结构。通过软件模拟,结合桥梁承载试验装置试验,确认当桥梁上承载质量为30 kg时,桥梁不出现过大的挠度,卸载后桥梁各杆件完好无损。所设计的桥梁结构经过竞赛实践验证,以较轻质量承载搬运较大载荷而取得较好的成绩,是较优的结构设计方案。