节点刚性对司机室操纵台杆件内力的影响分析

节点刚性对司机室操纵台杆件内力的影响分析

李杨,王平平    

青岛四方阿尔斯通铁路运输设备有限公司 山东青岛 266111

摘要：操纵台结构分析中弦杆和腹杆的连接通常按铰接考虑，实际结构为刚节点，由此产生的次内力对结构性能有一定影响。为考察次内力对结构的影响，以某司机室操纵台结构为研究对象，通过对操纵台结构采用弦腹杆铰接、刚接两种模型进行线性和考虑大变形的几何非线性分析，得到杆件次应力分布及特点，有限元分析结果与理论分析结果一致性较好。

关键词：桁架； 主梁； 次内力； 节点刚性

为简化计算通常弦杆用BEAM单元模拟、腹杆用LINK单元模拟的建模方法，弦杆和腹杆的连接按铰接处理。工程实际中的桁架同一节点处各杆不产生相对转动，其节点实际为刚性节点。在理想桁架中，所有的杆件均为二力杆，只承受轴向力，其计算结果称为主内力，由于不符合理想条件而产生的附加内力称为次内力，由次内力产生的应力称为次应力[1]。本文采用Bernoulli—Euler梁理论和timoshenko梁理论分别对操纵台结构进行线性和考虑大变形的非线性分析，着重研究由节点刚性引起的杆端弯矩次内力对结构的影响。

1 次应力计算与分析

以某动车组操纵台结构为例，该操纵台为梁杆式结构，分别采用全梁单元和梁杆混合单元建模，即建立弦腹杆刚接、铰接模型，忽略节点偏心的影响，主梁支座约束UX、UY、UZ，按实际情况施加节点载荷。计算分析因节点刚性产生的次内力对主梁杆件应力的影响。图1-1为司机室操纵台有限元模型。

  图 1-1  司机室操纵台有限元模型

1.1 主梁结构线性分析

主梁杆件均为细长杆，梁单元采用ANSYS中的BEAM4模拟，杆单元由LINK8模拟。当司机操纵台设备满载中时，利用ANSYS软件分别对弦腹杆铰接、刚接两种建模方案进行有限元分析，得到结构各个节点的位移、弦杆与腹杆的应力等计算结果。

1.1.1  弦、腹杆应力变化

选取两种建模方式计算轴力、应力变化情况。表2-1为弦杆的轴力、轴力差值比和最大应力差值比。表2-2为腹杆的轴力、次应力和次正应力比等结果。

表2-1 弦杆应力计算表

表2-2 腹杆次应力计算表

计算分析表明：

⑴ 两种模型计算轴向力在腹杆中差别较小，差值最大仅为6.5%，。

⑵ 刚接模型下由于支座处腹杆底部有位移约束，受到竖向载荷时杆件两端的相对位移较大，从而引起的弯矩较大，次应力较大。

2.1.2  结构固有频率及变形特点

为研究次内力对主梁结构自振频率和变形的影响，故对弦腹杆刚接、铰接两种模型进行考虑预应力的满载模态分析，提取前6阶模态（表2-3）。

表2-3  主梁自振频率及变形

由表2-3可见弦腹杆刚接模型时主梁各阶自振频率均略大于铰接模型下结构的频率，各阶自振最大变形均小于铰接模型下的变形。这是由于节点刚性使得杆件刚度加大，主梁固有频率提高，节点不易出现相对位移。

2.2 主梁结构非线性分析

   为了研究大变形分析下主梁次内力变化，对弦腹杆刚接、铰接模型在ANSYS中进行线性分析和考虑大变形的非线性分析，大变形分析时通过赋予材料密度、施加重力加速度模拟自重载荷，采用逐步加载的方法施加吊重，打开自动时间步、应力刚度、大变形效应和线性搜索，设置载荷子步数为500。

   表2-4为主梁结构位移差值表；表2-5列出考虑大变形效应和线性分析时主要受力杆件的轴力、次应力、次正应力比；综合计算结果可知：

⑴ 考虑结构大变形效应后，结构的最大位移值均有所增加，但差别很小，UZ方向最大达5.8%。

⑵ 当考虑大变形效应时，杆件的轴向应力相比线性分析有增大的趋势，绝大部分杆件的次应力减小，次正应力比减小最大达9.37%。

表2-4   主梁结构最大位移差值表(mm)

表2-5   主梁杆件应力对比表(mm)

3.结论

⑴ 通过对操纵台结构次内力影响因素的分析，有限元分析结果与理论分析结果一致性较好，证明本文桁架式结构有限元模型是正确的。

⑵主梁杆件在弦腹杆铰接、刚接两种模型下计算轴力差别很小，弦腹杆刚接模型下，腹杆次正应力比较大。

⑶ 考虑大变形后,与不考虑大变形的结构分析相比，主要杆件的轴向应力增大,弯曲应力减小，导致了主要杆件的次正应力比减小。

参考文献

[1] 单建,吕令毅. 结构力学[M].南京:东南大学出版社,2011

[2] 程斌,周汉杰,孙海涛. 领结式整体节点改善钢桁架次内力分析[J]. 建筑结构学报,2010, S1:66-71.

[3] GB 50017—2003 钢结构设计规范[S].北京:中国计划出版社,2003．