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石家庄铁道大学毕业论文基于ANSYS的桥梁检测车检测臂有限元分析Finite Element Analysis of the Inspection Arm in Bridge Inspection Vehicle Based on ANSYS 2011 届 工程力学 系专 业 工程力学 学 号 20072457 学生姓名 刘 阳 指导教师 房 学 谦 完成日期 2010年6月7日毕业论文成绩单学生姓名刘阳学号20072457班级力0701-1专业工程力学毕业论文题目基于ANSYS的桥梁检测车检测臂有限元分析指导教师姓名房学谦指导教师职称副教授评 定 成 绩指导教师得分评阅人得分答辩小组组长得分成绩：院长(主任) 签字：年 月 日毕业论文任务书题目桥梁检测车检测臂的有限元分析学生姓名刘阳学号20072457班级力0701-1专业工程力学承担指导任务单位工程力学系导师姓名房学谦导师职称副教授一、研究内容桥梁检测车是一种适用于大型或特大型的公路桥、城市高架桥、特路桥、公铁两用桥的预防性检查作业的专用车辆，主要用于桥梁的流动检测及维修作业。检测臂是桥梁检测车的重要组成部分，因此对检测臂进行力学分析具有重要的意义。在熟练掌握弹性力学和结构应力有限元分析的前提下，进一步学习和掌握以下内容：(1) 了解实际工程中桥梁检测车的类型、分类及其应用；(2) 学习在软件ANSYS中桥梁检测车检测臂的建模方法；(3) 熟练检测车检测臂的各种载荷类型；(4) 采用ANSYS分析和计算实际检测车检测臂模型在各种载荷组合下应力曲线。二、基本要求(1) 按研究计划独立完成各项任务。通过查阅资料和ANSYS软件应用，扩大知识面，提高独立工作所需的自学能力、分析和解决问题的能力；(2) 熟悉相关的有限元理论和ANSYS结构分析软件的应用，具有较强的程序调试能力；(3) 熟悉检测车检测臂的结构设计原理。三、主要技术指标(1)起重机设计规范(GB 3811-1983)；(2)钢结构设计规范(GB_50017-2003)；四、应收集的资料及参考文献(1)郝少楠，王彪，李鑫勇.基于ANSYS的桥梁检测车检测臂有限元分析J. 机械工程师，2010,9:8586.（2）刘胜民.桥梁检测车商用用汽车,2003.9:4445. (3) 叶刘泽宽.公路桥梁检测问题的研究J科技资讯,2007,2:4849. (4) 袁海庆, 蒋沦如. 有限元理论及工程实践实用M. 武汉: 武汉工业大学出版社, 1996.五、进度计划第1周第3周：熟悉任务书、收集查阅文献、完成英文翻译；第4周第7周：熟悉变截面梁中各种载荷的施加方法，熟悉ANSYS软件的应用； 第8周第14周：采用ANSYS进行建模分析，并分析各因素的影响；第15周第16周：论文撰写，修改和答辩。教研室主任签字时间 年 月 日毕业论文开题报告题目桥梁检测车检测臂的有限元分析学生姓名刘阳学号20072457班级力0701-1专业工程力学桥梁检测车是一种适用于大型或特大型的公路桥、城市高架桥 特路桥 公铁两用桥的预防性检查作业的专用车辆，主要用于桥梁的流动检测及维修作业。检测臂是桥梁检测车的重要组成部分，因此对检测臂进行力学分析具有重要的意义。桥梁检测车(或称桥梁检测维修车，Bridge-inspect Vehicle)是指装备有桥梁检测仪器和工作台，用于流动检测和（或）维修作业的专用汽车。它由汽车底盘和上装（上部工作装置）2部分组成。桥梁检测车最早出现在欧美，现在的装备技术已很先进，均采用电子液压控制，并配置有应急装置、稳定装置、遥控装置及发电设备。基于ANSYS的桥梁检测车检测臂有限元分析为了分析检测臂的结构性能，用ANSYS对检测臂进行了有限元分析，通过分析检测臂受力及位移变化情况来验证检测臂结构安全性。同时对检测臂进行了模态分析，测出了其固有频率和结构振型，为检测车工作时的稳定性要求提供了参考。本文用ANSYS10.0对检测臂进行了静力学分析与模态分析。桥梁检测车是一种可以为桥梁检测人员在检测过程中提供作业平台，装备有桥梁检测仪器,用于流动检测和(或)维修作业的专用汽车。它可以随时移动位置，能安全、快速、高效地让检测人员进入作业位置进行流动检测或维修作业。工作时不影响交通而且可以在不收回臂架的情况下慢速行驶。桥梁检测车技术含量很高，涉及到机械、液压、电子、雷达、通信等先进技术。具有效率高、安全性好、适应性强、功率消耗低等优点，适用于特大型公路桥、城市高架桥、铁路桥、公铁两用桥的预防性检查和维修作业，并为操作者在检测每一组成部分时提供安全保障，还可用于环境险恶不适合人工检测的场合。这种车辆一般是在二类货车底盘基础上加装专用工作装置而成的。根据专用工作装置的不同，桥梁检测车主要分为吊篮式和桁架式2种。有限元法是将连续体离散化的一种近似方法，其理论基础是变分原理，连续体部分与分片插值，即首先找到欲求解的数学物理问题用变分表示，写出其总能量表达式，然后将问题的定能区域划分成有限个三角形或四边形的集合，在每个单元体上选择有限个结点，并在每个结点上选定有限个待求的广义结点位移，然后选定结点广义位移为参数，近似地插值求出整个单元上的连续位移，进而将插值位移代入能量表达式，运用变分原理得到以广义结点位移为未知量的离散化有限元方程，求解有限元方程，得到每个结点上的广义结点位移，再在每个单元上使用结点广义位移插值求得各种欲求物理量，例如位移、应变、应力等。ANSYS 在结构分析中，静力学分析与模态分析是进行结构的谐响应分析、瞬态动力学分析与谱分析的基础。本文根据检测臂的实际参数对其进行了Pro/E 三维建模，并将三维模型导入到ANSYS 中。检测臂使用材料为Q235 钢，屈服极限为235MPa，密度为7800kg/m3，杨氏弹性模量约为210GPa，泊松比为0.3。检测臂有限元单元类型使用Solid Brick 8node 45 单元。检测臂单元离散化过程，首先划分网格类型，有限元网格划分主要有两种，一种是自由网格划分，主要用于对不规则边界对象进行划分，划分精度较低。另一种是映射网格，这种划分类型划分精度较高，对划分对象的边界、形状要求较高。因为桁架结构截面形状比较复杂，所以多选用自由网格。其次网格划分工具栏设定，网格划分工具面板用于实体建模网格划分的要素控制，如单元形状、中间节点位置及网格划分的尺寸大小等，网格划分时要综合考虑精度、经济性及适用性，一般情况下分析受力时需划分网格时应在保证精度条件下尽量减少网格数量。指导教师签字时 间 年 月 日摘 要随着我国公路桥梁事业的发展，新建高速公路及桥梁越来越多同时既有的许多桥梁进入了养护维修阶段，有关专家认为桥梁使用25年则进入老化期，据统计，我国桥梁总数的40已经属于此范畴，均属老龄桥梁而且随着时间的推移，其数量还还在增长。近20年来，随着桥梁检测事业的飞速发展，新结构、新材料、新工艺不断涌现；同时桥梁结构的使用荷载日益增大，大批既有桥梁进入老龄化期，为了确保桥梁结构的安全运营，对桥梁检测工作提出了更高的要求，桥梁检测工作亦有此愈发显得重要。另一方面，随着自动化技术的发展以及计算机的普及应用，测试技术、分析手段也取得了长足进展。为了分析检测臂的结构性能，用ANSYS 对检测臂进行了有限元分析，通过分析检测臂受力及位移变化情况来验证检测臂结构安全性。同时对检测臂进行了模态分析，测出了其固有频率和结构振型，为检测车工作时的稳定性要求提供了参考。关键字：桥梁检测车 ANSYS 有限元分析AbstractWith the development of highway bridges，more and more highways and bridges have been built recently. At the same time many of the existing bridges have came into the stage of maintaining and repairing. Experts believe that the bridges enter the aging period when they are used for more than 25 years. According to the statistics, aging bridges have accounted for 40% of the total bridges in our country. And over time, their number is also still growing. With the rapid development of the enterprise of the bridge inspection, new structure, new materials, new techniques are emerging constantly in the past 20 years.At the same time,the working load of the bridges is increasing, a large number of existing bridges are entering aging period. In order to ensure the safe operation of the bridges, the requirements of bridge inspection work is more strict. Bridge inspection work is also more and more important. On the other hand, with the development of automation technology and the popularization of computer applications, testing techniques, analytical tools have also made considerable progress.In order to analyze the structural properties of detection arm, finite element analysis of the detection arm iscarried out by using ANSYS. By analyzing the force and displacement variation of detection arm, its structural securityis verified. Meanwhile, the modal analysis is used to test the detection arm's natural frequency and structural vibration modes, which provides a reference for the stability test of the bridge inspection vehicle.Key words： bridge Inspection car ANSYS finite element analysis目 录第1章 绪论11.1 研究的目的和意义11.2国内外桥梁检测的发展历史和特点11.2.1桥梁检测的发展历史11.2.2桥梁检测车的特点41.2.3 桥梁检测车的发展61.3 桥梁检测车臂研究方法71.3.1 国内研究现状81.3.2 有限元软件ANSYS工程应用91.3.3 本文主要研究内容10第2章 建立桥梁检测车检测臂模型122.1 读图122.2单元介绍132.2.1 BEAM188单元描述132.2.2 输入数据142.2.3 BAEM188单元信息152.2.4 BEAM188单元输出数据162.3 开始建模182.3.1 材料性质202.3.2 施加约束20第3章 桥梁检测车检测臂的静力学分析223.1 静载荷简述223.2分析加载233.2.1检测臂的应力分析233.2.2检测臂的位移分析28第4章 桥梁检测车检测臂的动力特性分析344.1 动力特性分析目的344.2 分析方法344.2.1 模态分析理论344.2.2 利用ANSYS进行模态分析35第5章 结论和展望39致谢40参考文献41附录A 英文原文42附录B 英文翻译50第1章 绪论1.1 研究的目的和意义桥梁检测车是一种适用于大型或特大型的公路桥、城市高架桥 特路桥 公铁两用桥的预防性检查作业的专用车辆，主要用于桥梁的流动检测及维修作业。检测臂是桥梁检测车的重要组成部分，因此对检测臂进行力学分析具有重要的意义1。桥梁检测车(或称桥梁检测维修车，Bridge-inspect Vehicle)是指装备有桥梁检测仪器和工作台，用于流动检测和维修作业的专用汽车。它由汽车底盘和上部工作装置2部分组成。桥梁检测车最早出现在欧美，现在的装备技术已很先进，均采用电子液压控制，并配置有应急装置、稳定装置、遥控装置及发电设备2。 传统的设计中对桁架结构进行受力分析多依据材料力学中的分析方法计算，但由于计算量大且只能计算少数的危险截面，已经不能适应社会竞争的需求。随着有限元软件的发展，使用有限元分析软件对结构进行建模与分析不仅计算精度较高而且计算周期大大减少。基于ANSYS的桥梁检测车检测臂有限元分析为了分析检测臂的结构性能，用ANSYS对检测臂进行了有限元分析，通过分析检测臂受力及位移变化情况来验证检测臂结构安全性。同时对检测臂进行了模态分析，测出了其固有频率和结构振型，为检测车工作时的稳定性要求提供了参考。本文用ANSYS10.0对检测臂进行了静力学分析与模态分析。1.2 国内外桥梁检测的发展历史和特点1.2.1桥梁检测的发展历史设计桥面来承受移动的车辆荷载，比较容易恶化3,4。在桥的生命周期中，一个重要的任务就是检测，它用来决定需要保养的等级。相关维修所需要的费用，所需的资金的分配。保证桥的适用性和安全性也非常重要5。在1967年银桥坍塌后，联邦高速公路管理局授权发展桥梁检测的指导原则。这些指导原则要求定期检查所有公共道路的桥梁，至少每2年一次6,7。桥面的恶化包括分层、开裂、其他的缺陷如由于潮湿混凝土的不充分固结而造成的蜂窝状缺陷，还有预应力钢筋的腐蚀和断裂。随着我国公路桥桑事业的发展，新建高速公路及桥梁越来越多同时既有的许多桥梁运新进入了养护维修阶段，有关专家认为桥梁使用25年则进入老化期，据统计，国桥梁总数的40已经属于此范畴，均属老龄桥梁而且随着时间的推移，其数量还还在增长8。近20年来，随着桥梁检测事业的飞速发展，新结构、新材料、新工艺不断涌现；同时桥梁结构的使用荷载日益增大，大批既有桥梁进入老龄化期，为了确保桥梁结构的安全运营，对桥梁检测工作提出了更高的要求，桥梁检测工作亦有此愈发显得重要。另一方面，随着自动化技术的发展以及计算机的普及应用，测试技术、分析手段也取得了长足进展9。桥梁健康监测的主要内容是通过先进的监测仪器、设备、数据传输等技术构成的整体系统，对桥梁结构的工作状态、使用性能及整体行为进行图1-1 桥梁检测车实时监测，并对桥梁的安全健康状况和潜在危险性及时做出评估，提供必要的关键数据为桥梁在特殊气候、交通状况或桥梁运行中的严重异常状况触发预警信号，为桥梁的安全运营与维护管理提供科学的决策依据和指导，避免因意外事故带来的重大经济损失和社会影响。近几十年来，科学技术的快速发展推动了桥梁工程技术的飞跃，随着桥梁不断往新颖的桥型和大跨径的方向发展，桥梁的检测试验技术也不断地更新和改进。桥梁结构试验是对桥梁结构物工作状态进行直接测试的一种检定手段，对桥梁结构物工作状态进行检定，以检验结构的设计和施工质量。桥梁结构变形的测量及分析，可以检验桥梁的整体受力性能、评价桥跨结构的实际承载能力，是各类桥梁施工质量控制和评定工作的重要手段，常在桥梁交付使用前和既有桥梁的检定加固中采用。桥梁检测技术作为该系统的一个基础性研究方向，历来是国内外学者关注的热点，从某种意义上讲，桥梁检测技术。特别是借助于现代检测手段的无损检测技术，代表了桥梁检测技术的最新发展方向，也是桥梁健康监测这一大型综合智能型决策系统设计的关键。要合理评价桥梁的健康状况，首先必须正确认识桥梁在不同环境下的结构特性及对结构中既有损伤的识别与定位10 .公路交通的迅猛发展，必然要求强化组织管理。在桥梁管养方面，应根据养护里程、辖区内桥梁数量设立若干名专职桥梁养护工程师，并保证其工作性质的相对稳定，不能随意换动。在其职责上，桥梁养护工程师负责制定、安排桥梁年度定期检查计划，组织实施辖区内桥梁养护的定期检查，提出检查报告，通报三、四类及危险桥梁的病害状况。从目前的养护队伍现状来看，养护工人素质参差不齐，很难做到真正的专业养护。这就要求各级公路部门高度重视，针对桥梁养护工作的需要，要逐步培养骨干，成立专业养护队。桥梁专职养护，要突出的是一个“专”字，努力做到专业人员、专门程序、专用方法，以保证桥梁工程师的工作部署落实到位，随时掌握桥梁的使用状况，处治各种危急突发事件，并使队伍逐渐从日常养护过渡到具备进行桥梁中、小修甚至大修的能力。图1-2 桥梁检测车检测臂严格的检查措施是保证桥梁维护工作质量的有效方法。养护队应对桥梁以及各种防护设施坚持日常养护巡查，注意观察桥梁的使用状况，尽量做到1次/天养护巡查，并做好巡查记录，同时各级桥梁养护工程师应分别组织经常性检查、定期检查和专业检查。一是经常性检查。要由县级桥梁工程师组织实施，以目测为主，配合简单工具，至少每年度一次，填写“经常性检查记录表”上报。检查应拍摄总体照片，填写“桥梁定期检查数据表”，并提交检查报告。二是专业检查。凡遭受意外损害、定期检查中难以判明损坏程度以及决定改造之前均需进行专业检查。一直存在这样一种情况，只要是新桥做竣工试验，全部符合通车要求。可是有些新桥投入运营没几年就出现了严重的病害，就成了危桥。为了经济效益和社会影响，不得不进行加固，甚至拆除重建。这里有2个鲜活的实例11。实例一：重庆武隆县乌江二桥为主跨140m的集束钢管混凝土提篮拱，设计荷载标准为汽车一20级，于1996年建成通车。1999年开始进行病害检测和加固设计前期工作，2003年经检测大桥已严重影响行车安全，实际荷载仅为汽车一l0级。2004年结合大桥的实际情况和4年来对大桥的检测结果，经多位桥梁知名专家评审该桥已不适合加固，须拆除重建。从1996年到2004年，仅仅8年时间，一座花费上百万元建成的大桥就已经完成了它的使命。实例二：湖北钟祥汉江大桥曾是钟祥人引以为荣的城市标志性建筑，当初交通部门竣工验收时的结论是工程质量等级优良。中国历史文化名城大辞典如此介绍这座大桥：“湖北省级公路皂当线上的特大桥梁。1990年10月28日正式奠基，1993年11月18日竣工通车。桥梁总长1584 m，宽l2 m，造价5650万元。大桥宏伟壮观，造型简洁流畅”。到2001年，省交通部门就发现了桥体有裂缝。2004年，大桥“病症”加剧，有关单位检测后，定性为“危桥”。2005年3月，大桥完全封闭，禁止通车行人。过往人流和车辆只有改道从数百米外的渡口乘轮渡过江。2005年9月不得不拆除重建。不到12年时间，这座耗费5650万元的大桥就退出了历史舞台。上述2座桥原设计使用年限均为50年，为何10年左右就结束了他们的使用寿命呢?当然这和原来的设计、施工、监理以及运营后的超载有很大的关系，但作为最后把关的竣工检测也有很大的责任。前10年里，我国公路一直处于快速建设发展时期，很多桥梁施工时抢时间、赶工期，往往给T程留下很多隐患甚至很多桥梁刚建成，桥墩、梁体就出现了裂缝。而竣工检测对施工成桥后存在的一 些问题麻痹大意，视而不见，出具的报告也未提及，使得业主和养护管理部门未得到应有的重视，导致桥梁很快就出现病害。事实上，就规模棚当的新桥和旧桥来说新桥检测肯定要比旧桥检测省时省力但不能因为是新桥，检测就粗枝大叶，草草了事。新桥竣工检测是对以前的设计、施工和监理成果的一次重要检验。尤其对新型桥、新材料桥梁来说，在设计上存在未知参数较多，通过检测可以界定设计的模型、边界条件的正确性，以完善设计并指导以后设计。因此，对新桥检测更要细致周密，严谨认真，为桥梁正常运营提供安全保证，使其发挥应有的经济效益和社会效益12。1.2.2桥梁检测车的特点桥梁检测车是一种可以为桥梁检测人员在检测过程中提供作业平台，装备有桥梁检测仪器,用于流动检测和维修作业的专用汽车。它可以随时移动位置，能安全、快速、高效地让检测人员进入作业位置进行流动检测或维修作业。工作时不影响交通而且可以在不收回臂架的情况下慢速行驶。桥梁检测车技术含量很高，涉及到机械、液压、电子、雷达、通信等先进技术。具有效率高、安全性好、适应性强、功率消耗低等优点，适用于特大型公路桥、城市高架桥、铁路桥、公铁两用桥的预防性检查和维修作业，并为操作者在检测每一组成部分时提供安全保障，还可用于环境险恶不适合人工检测的场合。这种车辆一般是在二类货车底盘基础上加装专用工作装置而成的。根据专用工作装置的不同，桥梁检测车主要分为吊篮式和桁架式2种。1.吊篮式桥梁检测车吊篮式桥梁检测车也称折叠臂式桥梁检测车，其结构小巧，受桥梁结构制约少，工作灵活，既可检测桥下也可升起检测桥梁上部结构，可有线或无线操作，灵活方便，有时候还可以作为高空作业车使用，价格相对桁架式桥检车低。其基本结构充分体现了折叠臂式随车起重运输车、高空作业车的特点。工作时在桥下为点阵式检测，作业平台是装在臂架顶端的一个吊斗，作业面积较小，只可容纳23名人员作业，载质量一般只有200300 kg；另外，在工作过程中，检测和维修人员不能自由地上下桥，只有将吊篮收回到车上后才能实现，检测过程中作业幅度小，还需要经常移动和旋转吊篮，作业效率相对较低。吊篮式桥梁检测车一般具有以下特点：(1)采用机、电、液、讯一体化技术, 控制系统采用电液比例及自动伺服调平技术，能精确控制每个细微动作；(2)一般采用一级伸缩、二级回转、三级变幅机构，形成三维空间、6个自由度的空间运动体系，工作臂可跨越一定宽度和高度的障碍物，以便顺利将工作斗或工作平台伸至桥下，安全、快捷地将工作人员和设备送到桥下幅度允许的任意位置；(3) 工作斗中加装先进的过载保护系统，可实时监控作业平台负荷，超载报警并自动限制操作，确保检测作业的安全性，若采用工作平台，则需具有自动液压水平调节功能，确保工作平稳；(4)根据实际情况在底盘上加装支腿稳定器，并保证能使整车在桥下检修工作状态下行驶；(5)采用可伸缩式配重，保证工作状态下的稳定性及后桥载荷平衡；(6)在驾驶室内安装监控系统或通信系统，可对桥下作业状况进行实时监控或通信；(7)配有备用动力源，可在汽车发动机出现故障时为专用装置提供动力，并可为桥梁检修工具提供电源；(8)部分设备可供用户选择，如可旋转或延伸的工作平台、备用动力源(可选液冷式发动机)、空气压缩机、第3控制站的通信系统、115/220V的输出电源、平台加热器、泛光灯、工具箱、工作平台、顶棚等备件。2、桁架式桥梁检测车式工作平台，稳定性好，承载能力大，使用时检测人员能方便地从桥面进入平台或返回桥面，如配置升降机则可大大增加下桥深度。代表行业先进水平的桁架式桥梁检测车结构比较复杂，价值昂贵；但工作稳定，能够实现连续不间断作业，所提供的是一个相对较大的作业面，检测范围广，承载能力强，作业效率高。桁架式桥梁检测车按使用形式又可分为2种：车载式(也称自行式，如图2)和拖挂式(如图3)。车载式桥梁检测车的专用工作装置安装在汽车底盘上，加装控制系统与二类汽车底盘构成一体；拖挂式桥梁检测车则需由卡车或其他汽车拖动行驶。桁架式桥梁检测车一般具有以下特点：(1)一般采用机电液信一体化技术，配有底盘稳定装置、应急装置、备用动力等；(2)装备有2套以上控制系统，便于桁架的展开和桥下工作平台的调整控制；(3)工作平台在检测工作中须始终保持水平，以利于检测或维修人员工作；(4)配备液力驱动自推进系统，具有自动行走功能，工作时检测车可以在桥上行走，不需将桁架收回；(5)具有二级回转多级变幅和伸缩的三维空间运动功能，可跨越一定宽度的人行道和一定高度的护栏，以使工作平台顺利进入工作位置；(6)具有过载保护功能，设有平台超载报警、回转报警或限位装置，安全阀、平衡阀、液压锁等安全装置；(7)配有实时监控或通信系统，以便实时了解桥下的作业情况，方便、及时、准确地调整检测方位和位置；(8)配备内置式平台通路安全梯，检测人员和设备可以方便地从桥上到达到桥下；根据需要可选配升高架台等13。1.2.3 桥梁检测车的发展意大利BARIN公司自20世纪60年代开始生产桥梁检测车。目前主要产品有AP系列的高空作业车、AB系列的折叠臂式桥梁检测车和ABC系列的桁架式桥梁检测车。ABC系列桁架式桥梁检测车最大水平工作范围623m，最大下桥深度49.5m，最大承载质量300800 kg，最大跨越宽度1.74.65m，最大跨越护栏高度2.05.4m；AB系列折叠臂式桥梁检测车桥下最大水平距离6.522m，桥下最大垂直距离25.5820.5m，吊篮最大载质量200300kg。德国MOOG公司自1980年开始生产桥梁检测车，已拥有28年以上的桥梁检修设备的供应经验。客户主要为德国、法国、瑞典、香港、新加坡和印度的铁路运营商和铁路公司，国际市场份额超过50%。该公司产品主要用于公路桥梁、铁路桥梁和隧道检测，其中：MBI系列桁架式桥梁检测车有自行式和拖挂式2种，客户可以根据实际需要选购；MBL系列吊篮式桥梁检测车主要用于桥梁检测、维修工作及高空作业；MBS、MFG和MPG 桥梁维修单元主要用于长期维修桥梁项目。美国Aspen Aerials(赛奔驰)公司只生产折叠臂式桥梁检测车，主要产品型号有A-30、A-40、UB-50、A-62、A-75，其桥下最大水平距离9.422.8m，桥下最大垂直距离12.122m，桥上最大垂直距离9.216.1m，吊篮最大载质量272318 kg。所有Aspen Aerials桥梁检测车系列均可在无须装设液压支腿和配重的情况下进行平稳、安全、可靠地操作。美国凯捷有限公司(Hydra PlatformsMFG，Inc)创建于1985年，是美国一家专门从事研发和制造桁架式桥梁检测车的生产厂家，所生产的桁架式桥梁检测车有车载式(自行式)和拖挂式。美国REACHALL公司生产折叠臂式桥梁检测维修车， 其UB系列桥梁检测维修车，桥下吊篮最大水平伸长13.218.6m，最大下桥深度15.821.3m，最大承载质量272kg，吊篮向上最大举升高度(距离桥面)10.714.4m。奥地利PALFINGER公司生产的PA19000型折叠臂式桥梁检测车，桥下吊篮最大水平伸长16.2m，最大下桥深上最大举升高度(距离桥面)24.5m。1.3 桥梁检测车臂研究方法有限元法是将连续体离散化的一种近似方法，其理论基础是变分原理，连续体部分与分片插值，即首先找到欲求解的数学物理问题用变分表示，写出其总能量表达式，然后将问题的定能区域划分成有限个三角形或四边形的集合，在每个单元体上选择有限个结点，并在每个结点上选定有限个待求的广义结点位移，然后选定结点广义位移为参数，近似地插值求出整个单元上的连续位移，进而将插值位移代入能量表达式，运用变分原理得到以广义结点位移为未知量的离散化有限元方程，求解有限元方程，得到每个结点上的广义结点位移，再在每个单元上使用结点广义位移插值求得各种欲求物理量，例如位移、应变、应力等。传统的设计中对桁架结构进行受力分析多依据材料力学中的分析方法计算，但由于计算量大且只能计算少数的危险截面，已经不能适应社会竞争的需求。随着有限元软件的发展，使用有限元分析软件对结构进行建模与分析不仅计算精度较高而且计算周期大大减少。1.3.1 国内研究现状我国早在20世纪80年代末90年代初，由交通部公路规划设计院在北京起重机厂生产的QY-8型汽车起重机的基础上进行改造设计，最后以失败告终，后来国内又有几家单位研制也均以失败告终。最近几年，国内一些大型工程机械厂家开始从事桥梁检测车的研制，主要有徐工集团、湖南宝龙等，其产品和性能均能达到国外设备的标准。1.徐工集团徐工集团成立于1989年，主要从事工程机械的研发和生产，1997年由徐工集团、西安公路交通大学和河南省公路局联合成功研制出XZJ5140JQJ10型折叠臂式桥梁检测车，结束了我国无桥梁检测车的历史。2006年底，徐工集团成功研制出18m桁架式桥梁检测车，标志着徐工跻身于全球4大桥梁检测车生产领域，与意大利BARIN、德国MOOG、美国凯捷公司并驾齐驱，进入桥梁检测车系列化的快车道。目前该集团已经形成922m桁架式系列产品，最大水平工作范围921.9m，最大下桥深度68.5m，最大承载质量600800 kg，最大跨越宽度2.12.5m，最大跨越护栏高度2.湖南宝龙湖南宝龙专用汽车有限公司，是国家发改委和空军后勤装备部定点的随车起重运输车生产基地，主要生产随车起重机、军用新型航空炸弹专用吊车、式叉车吊，以及汽车配件和液压配件等。2006年3月首次成功研制出桁架式桥梁检测作业车，2007年开发出作业平台长为13m和16m的桁架式桥梁检测作业车。GYJ5210JQJH桥梁检测作业车最大水平工作范围13m，最大下桥深度6.2m，最大承载质量600 kg，最大跨越宽度2.1m，最大跨越护栏高度2.0m。3.湖南恒润高科有限公司湖南恒润高科有限公司，有多年的高速公路建设与养护经验，是以提供满足客户需求的高品质道路养护机械为目标，集产品研发、制造、营销为一体的专业化工程机械企业。2009年2月，该公司根据市场行情和发展需要， 参照德国MOOG 桥梁检测车，在其基础上合理改进，并在吸取国内外桥梁检测作业车经验的基础上研制推出16m桁架式桥梁检测作业车。该公司目前主要有HHR5250JQJ16、HHR5250JQJ08车型，其最大水平工作范围816m，最大下桥深度7.0m，最大承载质量600700kg，最大跨越宽度2.12.2m，最大跨越护栏高度2.24m。国内外桥梁检测车的功能基本一致。国内设备大都采用国外进口元器件。相对来说，国内设备可供选择性更大，可根据客户需求修改，底盘也可根据客户需求定制。例如；湖南宝龙的桥梁检测车，可采用东风底盘，主要元器件均为意大利原装进口；徐工的桥梁检测车可选用沃尔沃底盘，主要元器件为德国原装进口。国内外设备在设计上差别不大。国产设备的设计更符合中国人的操作要求和习惯。相对来说，国外设备技术先进，性能稳定，但价格昂贵，加上售后服务收费也高，综合成本较高。以18 m桥梁检测车为例，国外设备基本在500万元以上，而国内同等性能设备的价格在300万元左右。国外设备进口配件价格较高，服务支持较困难，质保期过后服务收费较高，也即后期维护成本较高。国产设备及备件运输方便，服务比较及时，收费也相对低廉，但所采用的原装进口元器件部分，要受到一定的制约。1.3.2 有限元软件ANSYS工程应用ANSYS软件是集结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛应用于土木工程、交通、水利、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、国防工业、电子、造船、生物医学、地矿和日用家电等一般工业及科学研究14-15。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。用户的指令可以通过鼠标点击菜单项选取和执行，也可以在命令输入窗口通过键盘输入。命令一经执行，该命令就会在.LOG文件中列出，打开输出窗口可以看到.LOG文件的内容。如果软件运行过程中出现问题，查看.LOG文件中的命令流及其错误提示，将有助于快速发现问题的根源。.LOG 文件的内容可以略作修改存到一个批处理文件中，在以后进行同样工作时，由ANSYS自动读入并执行，这是ANSYS软件的第三种命令输入方式。这种命令方式在进行某些重复性较高的工作时，能有效地提高工作速度。结构分析的定义：结构分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域。结构这个术语是一个广义的概念，它包括土木工程结构，如桥梁和建筑物；汽车结构，如车身骨架；海洋结构，如船舶结构；航空结构，如飞机机身等；同时还包括机械零部件，如活塞，传动轴等等。在ANSYS产品家族中有七种结构分析的类型。结构分析中计算得出的基本未知量(节点自由度)是位移，其他的一些未知量，如应变，应力以及反力都可通过节点位移导出。 静力分析用于求解静力载荷作用下结构的位移和应力等。静力分析包括线性和非线性分析。而非线性分析涉及塑性，应力刚化，大变形，大应变，超弹性，接触面和蠕变。 模态分析用于计算结构的固有频率和模态。谐波分析用于确定结构在随时间正弦变化的载荷作用下的响应。瞬态动力分析用于计算结构在随时间任意变化的载荷作用下的响应，并且可计及上述提到的静力分析中所有的非线性性质。谱分析是模态分析的应用拓广，用于计算由于响应谱或PSD输入(随机振动)引起的应力和应变。曲屈分析用于计算曲屈载荷和确定曲屈模态。ANSYS可进行线性(特征值)和非线性曲屈分析。显式动力分析ANSYS/LS-DYNA可用于计算高度非线性动力学和复杂的接触问题。此外，前面提到的七种分析类型还有如下特殊的分析应用：· 断裂力学；· 复合材料；· 疲劳分析。1.3.3 本文主要研究内容ANSYS 在结构分析中，静力学分析与模态分析是进行结构的谐响