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摘要：本文介绍了管状带式输送机桁架的结构、所受荷载类型及载荷组合等，并应用大型通用有限元分析软件ANSYS分别对典型的水平弯弧、垂直弯弧桁架进行了刚度、强度、稳定性分析，有效地解决了传统内力计算方法分析弯弧桁架工作量大、计算可靠度低的问题，对分析类似结构的桁架有一定的借鉴意义。
关键词：管状带式输送机；ANSYS；弯弧桁架；APDL
0.前言
管状带式输送机（以下称管带机）可密闭输送散装物料，由于输送带卷成圆管状，降低了横向刚性，使输送带以较小曲率半径实现空间弯曲布置，线路设计时可以随地形设置水平弯弧、垂直弯弧或空间弯弧桁架。作为管带机重要组成部分的弯弧桁架，必须同时满足刚度、强度、稳定性的要求，才能实现管带机的转弯功能，保证整机的可靠运行。
如采用传统的内力分析方法分析弯弧桁架，很难在短时间内获取大量数据而且可靠度低，为此本文应用大型通用有限元分析软件ANSYS的参数化设计语言（APDL）对常用的水平弯弧、垂直弯弧桁架进行结构静力分析。
1.典型的管带机桁架结构
管带机桁架结构主要由托辊框、弦杆、竖腹杆、斜腹杆等组成，托辊框上还设有托辊用来支撑输送带与物料，另外桁架两侧还设有走台、护栏、电缆槽架等，对弯弧桁架，弦杆则带有弯弧半径。
本文介绍的管带机的管径250mm，运量200t/h，带速1.25m/s，设计的水平弯弧、垂直（凹）弧桁架跨度为L=21m，弯弧半径均为R=140m，桁架梁高H=1.6m，宽l=0.9m，节间a=1.2m，两端节间t=0.75m。
2.管带机桁架的荷载及荷载组合
依据建筑结构荷载规范（GB50009-2001）以及管带机的受力特点，将管带机桁架荷载主要分为以下几类，即恒载、可变荷载、风荷载、雪荷载和地震作用等。
2.1. 管带机桁架的荷载
2.1.1.恒载
包括桁架自重以及胶带、托辊组、走台栏杆、电缆槽架等重量，各荷载的载荷值计算可参看DTⅡ（A）相关手册。
2.1.2. 可变荷载
包括活载，物料荷载及输送机的运行水平阻力等。活载主要是维修人员及检修工具的重量，可按照0.2-0.3kN/m2计算；物料荷载可根据输送量求得单位长度上的物料重量；管带机的运行水平阻力一般较小，可忽略不计。
2.1.3.风荷载
风荷载按最不利情况即风载荷垂直于桁架计算。风荷载的大小与风压值、迎风面积等因素有关，风压值应根据使用管带机当地的气象资料和相关设计规范来确定。
2.1.4.雪荷载
雪荷载根据地理条件定，与基本雪压、积雪面积有关，计算时只需考虑堆积在走台上的冰雪在垂直方向产生的载荷。
2.2.材料特性及设计指标
管带机桁架的弹性模量E为210Gpa，泊松系数为0.3，密度均为7.85×103kg/m3。钢材的屈服应力σs=235 Mpa及破坏应力σb=410 Mpa。
桁架杆件校核时，Q235-B钢材的强度设计值取f=206MPa；
桁架的刚度设计值取：L/650，其中L为桁架的跨度。
3. 管带机桁架的ansys有限元结构静力分析
3.1.有限元模型的建立
本文使用ANSYS的APDL方式進行分析，先定义所需的参数，如跨度L、高度H，节间a等，便于参数优化设计；由于弯曲桁架受有三维方向的力作用，计算时各杆件均等效为三维二次有限应变beam189梁单元；材料属性设定好后，建立管带机水平弯弧、垂直弯弧桁架的简化几何模型，赋予杆件属性划分网格，得到弯弧桁架有限元模型。
3.2.约束的施加
管带机桁架分析时，右侧约束X、Y、Z三个方向的线位移，左侧约束Y、Z二个方向的线位移。
3.3.载荷的施加
将恒载、可变荷载、风荷载依次按载荷步施加。其中恒荷载的自重由ansys程序自动施加，其余载荷将各载荷简化成节点集中力载荷，并将载荷值均匀加载到有限元模型单元的各个节点上，各边节点施加的载荷力为中间节点的一半。
4.计算结果分析
本文应用Ansys有限元分析桁架时采用的是Beam189单元，该单元能承受弯曲和轴力的作用，对各杆件的验算可采用拉弯和压弯受力构件计算。
4.1.计算结果
水平弯弧、垂直弯弧桁架在施加同样的约束、载荷下，载荷工况组合4的变形和von Mises应力云图。
另外，本文通过ANSYS的二次开发语言，对两种桁架的弦杆节间单元逐一进行计算，获得的上下弦杆各单元的内力、杆件的最大弯曲力矩数据绘制所有弦杆的强度、整体稳定应力曲线图。
4.2.结果分析
4.2.1.根据实际桁架变形及应力分析，水平弯弧、垂直弯弧桁架载荷组合的最大变形为25.528、29.543mm，桁架的VON MISE应力最大分别为123、116MPa，均小于设计指标。
4.2.2.对比表两种桁架的受力结果，可见在同样载荷作用下，因风荷载方向以及弯弧方向的不同可见有以下规律：
4.2.2.1.桁架的迎风方向D-D以及被风方向A-A弦杆中部位置的单元受力最大，所不同的是D-D杆件承受的是较大的压应力，A-A则是较大的拉应力。
4.2.2.2.水平弯弧桁架的应力值较垂直弯曲的应力值大，因垂直弯弧桁架的凹弧半径斜向上是有一定的提升高度，实际所受的Y向载荷分力值较水平弯弧桁架小。
4.2.3.通过分析得到的轴力和弯矩算得的构件强度和稳定性应力云图，可见弦杆的应力均小于设计值，满足强度和整体稳定性设计的要求。
5.结论：
5.1.对结果分析显示，弦杆的应力均小于设计值，满足刚度、强度和整体稳定性的设计要求，根据分析的结果即桁架弯弧方向的受力大小，可合理改善杆件的截面形式。
5.2.本文应用ANSYS分析软件对管带机弯弧桁架进行分析是可行的，对所获取的结果进行深入分析研究，能极大地方便设计人员的对弯弧桁架设计。
5.3.本文利用ANSYS APDL命令流分析，虽然在建模分析时进行了参数化设计，但是管带机桁架结构复杂、工况较多，建议再利用ANSYS的二次开发功能开发管带机桁架的专用有限元分析软件，便于管带机桁架的结构轻量化设计。
参考文献：
[1]王鹰，杜群贵，韩刚等.环保型连续输送设备——圆管状带式输送机[J]，机械工程学报，2003，1：149-158.
[2]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.
[3]郭遐.圆管带式输送机金属结构受力分析与计算[D]，太原：太原科技大学，2009.
作者简介：刘杰（1981-），男，山东昌乐人，工程师，硕士，主要从事金属结构设计及材料加工工艺的研究。
关键词：管状带式输送机；ANSYS；弯弧桁架；APDL
0.前言
管状带式输送机（以下称管带机）可密闭输送散装物料，由于输送带卷成圆管状，降低了横向刚性，使输送带以较小曲率半径实现空间弯曲布置，线路设计时可以随地形设置水平弯弧、垂直弯弧或空间弯弧桁架。作为管带机重要组成部分的弯弧桁架，必须同时满足刚度、强度、稳定性的要求，才能实现管带机的转弯功能，保证整机的可靠运行。
如采用传统的内力分析方法分析弯弧桁架，很难在短时间内获取大量数据而且可靠度低，为此本文应用大型通用有限元分析软件ANSYS的参数化设计语言（APDL）对常用的水平弯弧、垂直弯弧桁架进行结构静力分析。
1.典型的管带机桁架结构
管带机桁架结构主要由托辊框、弦杆、竖腹杆、斜腹杆等组成，托辊框上还设有托辊用来支撑输送带与物料，另外桁架两侧还设有走台、护栏、电缆槽架等，对弯弧桁架，弦杆则带有弯弧半径。
本文介绍的管带机的管径250mm，运量200t/h，带速1.25m/s，设计的水平弯弧、垂直（凹）弧桁架跨度为L=21m，弯弧半径均为R=140m，桁架梁高H=1.6m，宽l=0.9m，节间a=1.2m，两端节间t=0.75m。
2.管带机桁架的荷载及荷载组合
依据建筑结构荷载规范（GB50009-2001）以及管带机的受力特点，将管带机桁架荷载主要分为以下几类，即恒载、可变荷载、风荷载、雪荷载和地震作用等。
2.1. 管带机桁架的荷载
2.1.1.恒载
包括桁架自重以及胶带、托辊组、走台栏杆、电缆槽架等重量，各荷载的载荷值计算可参看DTⅡ（A）相关手册。
2.1.2. 可变荷载
包括活载，物料荷载及输送机的运行水平阻力等。活载主要是维修人员及检修工具的重量，可按照0.2-0.3kN/m2计算；物料荷载可根据输送量求得单位长度上的物料重量；管带机的运行水平阻力一般较小，可忽略不计。
2.1.3.风荷载
风荷载按最不利情况即风载荷垂直于桁架计算。风荷载的大小与风压值、迎风面积等因素有关，风压值应根据使用管带机当地的气象资料和相关设计规范来确定。
2.1.4.雪荷载
雪荷载根据地理条件定，与基本雪压、积雪面积有关，计算时只需考虑堆积在走台上的冰雪在垂直方向产生的载荷。
2.2.材料特性及设计指标
管带机桁架的弹性模量E为210Gpa，泊松系数为0.3，密度均为7.85×103kg/m3。钢材的屈服应力σs=235 Mpa及破坏应力σb=410 Mpa。
桁架杆件校核时，Q235-B钢材的强度设计值取f=206MPa；
桁架的刚度设计值取：L/650，其中L为桁架的跨度。
3. 管带机桁架的ansys有限元结构静力分析
3.1.有限元模型的建立
本文使用ANSYS的APDL方式進行分析，先定义所需的参数，如跨度L、高度H，节间a等，便于参数优化设计；由于弯曲桁架受有三维方向的力作用，计算时各杆件均等效为三维二次有限应变beam189梁单元；材料属性设定好后，建立管带机水平弯弧、垂直弯弧桁架的简化几何模型，赋予杆件属性划分网格，得到弯弧桁架有限元模型。
3.2.约束的施加
管带机桁架分析时，右侧约束X、Y、Z三个方向的线位移，左侧约束Y、Z二个方向的线位移。
3.3.载荷的施加
将恒载、可变荷载、风荷载依次按载荷步施加。其中恒荷载的自重由ansys程序自动施加，其余载荷将各载荷简化成节点集中力载荷，并将载荷值均匀加载到有限元模型单元的各个节点上，各边节点施加的载荷力为中间节点的一半。
4.计算结果分析
本文应用Ansys有限元分析桁架时采用的是Beam189单元，该单元能承受弯曲和轴力的作用，对各杆件的验算可采用拉弯和压弯受力构件计算。
4.1.计算结果
水平弯弧、垂直弯弧桁架在施加同样的约束、载荷下，载荷工况组合4的变形和von Mises应力云图。
另外，本文通过ANSYS的二次开发语言，对两种桁架的弦杆节间单元逐一进行计算，获得的上下弦杆各单元的内力、杆件的最大弯曲力矩数据绘制所有弦杆的强度、整体稳定应力曲线图。
4.2.结果分析
4.2.1.根据实际桁架变形及应力分析，水平弯弧、垂直弯弧桁架载荷组合的最大变形为25.528、29.543mm，桁架的VON MISE应力最大分别为123、116MPa，均小于设计指标。
4.2.2.对比表两种桁架的受力结果，可见在同样载荷作用下，因风荷载方向以及弯弧方向的不同可见有以下规律：
4.2.2.1.桁架的迎风方向D-D以及被风方向A-A弦杆中部位置的单元受力最大，所不同的是D-D杆件承受的是较大的压应力，A-A则是较大的拉应力。
4.2.2.2.水平弯弧桁架的应力值较垂直弯曲的应力值大，因垂直弯弧桁架的凹弧半径斜向上是有一定的提升高度，实际所受的Y向载荷分力值较水平弯弧桁架小。
4.2.3.通过分析得到的轴力和弯矩算得的构件强度和稳定性应力云图，可见弦杆的应力均小于设计值，满足强度和整体稳定性设计的要求。
5.结论：
5.1.对结果分析显示，弦杆的应力均小于设计值，满足刚度、强度和整体稳定性的设计要求，根据分析的结果即桁架弯弧方向的受力大小，可合理改善杆件的截面形式。
5.2.本文应用ANSYS分析软件对管带机弯弧桁架进行分析是可行的，对所获取的结果进行深入分析研究，能极大地方便设计人员的对弯弧桁架设计。
5.3.本文利用ANSYS APDL命令流分析，虽然在建模分析时进行了参数化设计，但是管带机桁架结构复杂、工况较多，建议再利用ANSYS的二次开发功能开发管带机桁架的专用有限元分析软件，便于管带机桁架的结构轻量化设计。
参考文献：
[1]王鹰，杜群贵，韩刚等.环保型连续输送设备——圆管状带式输送机[J]，机械工程学报，2003，1：149-158.
[2]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.
[3]郭遐.圆管带式输送机金属结构受力分析与计算[D]，太原：太原科技大学，2009.
作者简介：刘杰（1981-），男，山东昌乐人，工程师，硕士，主要从事金属结构设计及材料加工工艺的研究。