钢便桥结构优化设计(附件)
本课题是钢便桥结构优化设计，该钢便桥为坡道形式，坡道长度为18米，行车道宽为4米，与高速公路相头断面宽为6米。临时坡道分模块拼装。在设计初期通过手算，对钢便桥的桥面钢板、工字钢横梁、工字钢纵梁和钢管桩的强度和刚度进行分析，包括弯矩，弯曲应力，剪切力和挠度的计算。使用CATIA软件对桥梁进行三维建模并使用ANSYS软件对其进行有限元分析，验算结构在荷载作用下是否能达到使用要求。在此基础上改变钢便桥相应结构形式，降低桥梁整体重量，从而达到结构优化和轻量化的要求。关键词 应急钢便桥，结构设计，强度分析，建模，有限元，优化
目录
1 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 研究意义 1
1.3 国内外相关研究 1
1.4 研究的主要内容 1
1.5 本章小结 1
2 设计资料及结构分析 2
2.1 设计方案 2
2.2 设计依据 2
2.3 设计荷载 3
2.4 钢材选用及设计参数 3
2.5 20a防滑钢板计算 4
2.6 25a工字钢横梁计算，跨径1.6m 5
2.7 25a工字钢纵梁计算，跨径5m 7
2.8 钢管立柱受力计算 9
2.9 本章小结 9
3 三维建模 10
3.1 建模软件CATIA介绍 10
3.2 建模的详细步骤 10
3.3 本章小结 15
4 基于ANSYS应急钢便桥的静力学有限元分析 15
4.1 基于ANSYS静力学有限元分析的操作方法 15
4.2 有限元模型的建立及相关参数导入 16
4.3 钢便桥上的荷载 17
4.4 钢便桥的静力学有限元分析 18
4.5 本章小结 19
5.结构优化 20
5.1 优化思路 20
5.2 36a型工字钢横梁优化校核，跨径3m 20
5.3 钢管立柱校核计算 22
5.4 结构优化前后建模对比 22
5.5 钢便桥结构优化后的静力学有限元分析 23 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
5.6 优化结果 25
结论 28
致谢 29
参考文献 30
1 绪论
1.1 课题背景
本课题的研究背景是在高速公路某段被破坏的情况下，设计一个应急便桥，能够在短时间内，接通被破坏的路段，从而达到车辆正常通行的目的。我设计的桥梁模型是坡道与高速路断头相连接形式，使得车辆通过坡道过度而正常行驶。
1.2 研究意义
本课题的任务是进行应急钢便桥的结构优化设计。根据应急钢便桥的结构尺寸和承载要求等参数，再结合机械设计、机械理论、工程力学等相关知识，完成应急钢便桥的主要结构参数设计、结构力学分析、建模以及钢便桥结构优化设计。
1.3 国内外相关研究
目前我国对于应急桥梁结构轻量化的研究，主要有采用复合材料金属组合桁架桥的设计[1]。此外，装甲架桥车在瑞典已开始研发。随着高科技的发展。采用纤维增强聚合物(FRP)复合材料实现轻质结构，主要方法和技术，是一种高性能复合材料，比复合材料结构减重的强度和模量进一步提高。其次是高高效承载结构复合材料结构的优化设计，即通过优化组合材料的优势承载力和结构传递路径来实现结构减重。第三，复合材料的复合结构形成，这意味着通过联合操作可以实现结构的减重[2]。
1.4 研究的主要内容
1）确定应急钢便桥及各相关构件的尺寸参数：桥梁的高度，桥面的宽度等。
2）设计便桥结构:上部结构设计，包括桥面板、工字钢横梁、工字钢纵梁等应力计算。下部结构设计，钢管桩长度及承载力计算等。
3）建立三维模型：使用建模软件CATIA，建立桥梁三维模型。
4） 有限元分分析：将建好的三维模型导入有限元分析软件ANSYS中。在ANSYS中施加约束和载荷，模拟便桥在荷载工况下，找出桥梁的危险部位，得到应力和位移云图。
5）结构优化设计：在以上设计计算基础上，通过优化桥梁结构及使用其他材料，通过计算和有限元分析来验证结构优化设计的可行性，并最终得出优化的结果。
1.5 本章小结
本章主要根据毕业设计任务书的要求，分析了本课题的课题背景，研究意义，国 内外相关研究，研究的主要内容四个方面。介绍了应急钢便桥在生活生产实践中的重要的作用，根据应急钢便桥的结构参数，以及相关部件的结构形式，根据目前研究大量应用仿真的趋势，提出了本课题的研究方向。主要为：分析本应急钢便桥的结构特点及承载要求，确定本应急钢便桥的结构和设计参数；使用CATIA三维建模软件建立本应急钢便桥的三维模型；利用ANSYS软件对本应急钢便桥的结构进行有限元分析，并在此基础上对应急钢便桥的结构进行改进，从而达到更优的设计。本章明确了研究的思路和方法，阐明了研究的目的和意义，为接下来的优化设计研究奠定了良好的基础。
2 设计资料及结构分析
2.1 设计方案
2.1.1 上部结构设计
本便桥为两个坡道组成，每个坡道设计全长为18m，行车道宽4m，与高速公路相头断面宽6m。结构形式为：每个坡道分为4段，由4个支点支撑，段一支点处采用钢板焊接，在里面焊接加劲板的形式。段一突出部分上焊接双拼25号工字钢形成盖梁。支点二处由三个钢管桩支撑桥梁，在每个钢管桩上面焊接20mm厚的转换钢板，尺寸为400mm×400mm，在转换钢板上同样焊接三块20m厚的卡位钢板，钢板的间距为146mm，卡位钢板的尺寸为262mm×200mm，在卡位钢板直接放置双拼25号工字钢形成横梁，由销子固定。在工字钢横梁上面焊接两块卡位钢板，卡位钢板之间放置工字钢纵梁。支点三同支点二。支点四处由于桥面变宽为6m，设计为5道纵梁[3]。
目录
1 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 研究意义 1
1.3 国内外相关研究 1
1.4 研究的主要内容 1
1.5 本章小结 1
2 设计资料及结构分析 2
2.1 设计方案 2
2.2 设计依据 2
2.3 设计荷载 3
2.4 钢材选用及设计参数 3
2.5 20a防滑钢板计算 4
2.6 25a工字钢横梁计算，跨径1.6m 5
2.7 25a工字钢纵梁计算，跨径5m 7
2.8 钢管立柱受力计算 9
2.9 本章小结 9
3 三维建模 10
3.1 建模软件CATIA介绍 10
3.2 建模的详细步骤 10
3.3 本章小结 15
4 基于ANSYS应急钢便桥的静力学有限元分析 15
4.1 基于ANSYS静力学有限元分析的操作方法 15
4.2 有限元模型的建立及相关参数导入 16
4.3 钢便桥上的荷载 17
4.4 钢便桥的静力学有限元分析 18
4.5 本章小结 19
5.结构优化 20
5.1 优化思路 20
5.2 36a型工字钢横梁优化校核，跨径3m 20
5.3 钢管立柱校核计算 22
5.4 结构优化前后建模对比 22
5.5 钢便桥结构优化后的静力学有限元分析 23 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
5.6 优化结果 25
结论 28
致谢 29
参考文献 30
1 绪论
1.1 课题背景
本课题的研究背景是在高速公路某段被破坏的情况下，设计一个应急便桥，能够在短时间内，接通被破坏的路段，从而达到车辆正常通行的目的。我设计的桥梁模型是坡道与高速路断头相连接形式，使得车辆通过坡道过度而正常行驶。
1.2 研究意义
本课题的任务是进行应急钢便桥的结构优化设计。根据应急钢便桥的结构尺寸和承载要求等参数，再结合机械设计、机械理论、工程力学等相关知识，完成应急钢便桥的主要结构参数设计、结构力学分析、建模以及钢便桥结构优化设计。
1.3 国内外相关研究
目前我国对于应急桥梁结构轻量化的研究，主要有采用复合材料金属组合桁架桥的设计[1]。此外，装甲架桥车在瑞典已开始研发。随着高科技的发展。采用纤维增强聚合物(FRP)复合材料实现轻质结构，主要方法和技术，是一种高性能复合材料，比复合材料结构减重的强度和模量进一步提高。其次是高高效承载结构复合材料结构的优化设计，即通过优化组合材料的优势承载力和结构传递路径来实现结构减重。第三，复合材料的复合结构形成，这意味着通过联合操作可以实现结构的减重[2]。
1.4 研究的主要内容
1）确定应急钢便桥及各相关构件的尺寸参数：桥梁的高度，桥面的宽度等。
2）设计便桥结构:上部结构设计，包括桥面板、工字钢横梁、工字钢纵梁等应力计算。下部结构设计，钢管桩长度及承载力计算等。
3）建立三维模型：使用建模软件CATIA，建立桥梁三维模型。
4） 有限元分分析：将建好的三维模型导入有限元分析软件ANSYS中。在ANSYS中施加约束和载荷，模拟便桥在荷载工况下，找出桥梁的危险部位，得到应力和位移云图。
5）结构优化设计：在以上设计计算基础上，通过优化桥梁结构及使用其他材料，通过计算和有限元分析来验证结构优化设计的可行性，并最终得出优化的结果。
1.5 本章小结
本章主要根据毕业设计任务书的要求，分析了本课题的课题背景，研究意义，国 内外相关研究，研究的主要内容四个方面。介绍了应急钢便桥在生活生产实践中的重要的作用，根据应急钢便桥的结构参数，以及相关部件的结构形式，根据目前研究大量应用仿真的趋势，提出了本课题的研究方向。主要为：分析本应急钢便桥的结构特点及承载要求，确定本应急钢便桥的结构和设计参数；使用CATIA三维建模软件建立本应急钢便桥的三维模型；利用ANSYS软件对本应急钢便桥的结构进行有限元分析，并在此基础上对应急钢便桥的结构进行改进，从而达到更优的设计。本章明确了研究的思路和方法，阐明了研究的目的和意义，为接下来的优化设计研究奠定了良好的基础。
2 设计资料及结构分析
2.1 设计方案
2.1.1 上部结构设计
本便桥为两个坡道组成，每个坡道设计全长为18m，行车道宽4m，与高速公路相头断面宽6m。结构形式为：每个坡道分为4段，由4个支点支撑，段一支点处采用钢板焊接，在里面焊接加劲板的形式。段一突出部分上焊接双拼25号工字钢形成盖梁。支点二处由三个钢管桩支撑桥梁，在每个钢管桩上面焊接20mm厚的转换钢板，尺寸为400mm×400mm，在转换钢板上同样焊接三块20m厚的卡位钢板，钢板的间距为146mm，卡位钢板的尺寸为262mm×200mm，在卡位钢板直接放置双拼25号工字钢形成横梁，由销子固定。在工字钢横梁上面焊接两块卡位钢板，卡位钢板之间放置工字钢纵梁。支点三同支点二。支点四处由于桥面变宽为6m，设计为5道纵梁[3]。
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