毕业设计我帮你

旅客登机桥--活动通道结构件的设计及优化

摘要 随着物质文化生活的提高，越来越多的人选择乘飞机外出。旅客登机桥直接连接了飞机和航站楼，其桥身可左右移动、伸缩和升降，且接机口处有可柔性向外延伸的折棚，能够密合地衔接机舱门，因而可以给旅客提供一个舒适的环境，无需日晒雨淋地方便登机，也为机场的现代化管理提供了便利。

旅客登机桥作为一种载人的可移动式大型设备，重达30吨以上，在进行结构设计时必须优先考虑其安全系数是否满足要求。本课题针对钢结构桁架旅客登机桥活动通道，研究在不同工况下，其挠度变化是否满足行业标准并校核其安全系数；进一步针对薄弱结构进行优化设计，有效提高结构强度的可靠性。主要包括以下工作：

（1）根据设计要求：最大伸出长度为37米，最小缩回长度为24米，采用inventor软件对登机桥建立三维模型，并绘制出主结构以及关键零部件图纸。

（2）采用有限元软件ANSYS workbench对初始结构进行静力学分析，针对两种不同的典型工况，分别研究通道在最大伸出和最小缩回状态时的位移和应力分布情况。

（3）基于有限元分析结果，对导轮架结构进行改进设计，通过增大接触面积使得活动通道在行走过程中更加稳定，并大大提升了结构强度。

关键词：旅客登机桥  钢结构  有限元  优化

 

Structure Design and Optimization of The Activity Channel of Passenger Boarding Bridge

Abstract  With people's material and cultural life become much richer , more and more people travel or go on business by air. Passenger boarding bridges connect the aircraft and terminal directly and the bridgehead can move right and left, stretch out and draw back, move up and down. A flexible and extending outward canopy at the cabin can closely connect the door to provide a suitable environment for the passengers to avoid sun-baked and wringing. The appearance of passenger boarding bridges make a great contribution to the modern management of the airport.

Boarding bridge as a manned portable devices and large equipment, it weighed 30 tons. The safety factor of the passenger boarding bridges must be given priority in the design of the structure. The passenger boarding bridge of this project is a steel structure truss, and this paper will examine whether the boarding bridge meets the industry standard requirements under different operating conditions and check its safety factor. Furthermore,optimize the design of the weak structure to improve the reliability of structural strength. The main jobs are as follows:

（1）According to the design requirement：Its maximum stretching is 37 meters, the minimum retracting length is 24 meters. Use Inventor software for the boarding bridge for 3D model, and draw the main structure and the key parts drawings.

（2）Use finite element analysis software--ANSYS workbench to analysis The initial structure in statics analysis. According to two different kinds of typical working condition, research channel respectively retract out the maximum and minimum condition of displacement and stress distribution.

（3）Based on the finite element analysis, improve the structure of the guide frame.By increasing the contact area, the active channel is more stable during the walk and greatly improves the structural strength.  

Key words    passenger boarding bridge(PBB)  steel structure   finite element  optimization

 

目录

第一章 绪论 ……………………………………………………………………1

1.1 课题研究的目的及意义 …………………………………………………1

1.2 国内外发展现状 …………………………………………………………2

1.3 本文的主要工作 …………………………………………………………3

第二章 旅客登机桥……………………………………………………………5

2.1 登机桥简介 ………………………………………………………………5

2.2 各部件构造及尺寸 ………………………………………………………5

  2.2.1 旋转平台 ……………………………………………………………5

  2.2.2 活动通道 ……………………………………………………………6

  2.2.3 升降行走系统………………………………………………………11

  2.2.4 升降系统……………………………………………………………12

  2.2.5 行走系统……………………………………………………………12

  2.2.6 接机平台总成………………………………………………………13

  2.2.7 电气系统……………………………………………………………14

  2.2.8 紧急退桥及紧急停止保护功能……………………………………14

2.3 材料选择…………………………………………………………………15

2.4 载荷参数设置……………………………………………………………15

第三章 旅客登机桥有限元模型建立……………………………………17

3.1 有限元介绍………………………………………………………………17

  3.1.1 有限元的历史与发展………………………………………………17

  3.1.2 有限元软件…………………………………………………………18

3.2 登机桥三维模型的建立…………………………………………………18

3.3 有限元模型建立…………………………………………………………25

  3.3.1 模型简化……………………………………………………………25

  3.3.2 模型参数设置………………………………………………………26

3.4 结果计算及后处理………………………………………………………33

第四章关键部件的优化设计………………………………………………37

第五章总结与展望……………………………………………………………40

总结 ………………………………………………………………………………41

参考文献…………………………………………………………………………42

第一章  绪论
1.1 课题研究的目的及意义
随着科学技术的不断进步，世界经济的逐步上升，社会的整体生活水平得以逐渐提高，人们物质文化生活也变得越来越丰富了，有越来越多的人选择乘飞机外出旅游、办公等，享受其带来的方便快捷等好处。但是随着使用人数的增加，这也给机场的管理带来了一定的困难。传统的摆渡车接送旅客这一方式将会被逐渐淘汰，因为随着旅客人数的增加，采用摆渡车运送旅客所带来的风险也会随之增加。于是，登机桥^[1,2,3]的出现和应用将能够完美的解决好这一问题，为机场的现代化管理作出了巨大的贡献。
目前，登机桥已经广泛应用于各大航空机场，例如上海的虹桥机场，北京首都机场，广州的白云机场等，均已采用了登机桥来使得旅客上下飞机。登机桥直接连接了飞机和航站楼，其桥身可左右移动、伸缩和升降，且接机口处有可柔性向外延伸的折棚，能够密合地衔接机舱门，因而可以给旅客提供一个舒适的环境，无需日晒雨淋地方便登机。让外出旅行的游客不再受到天气的影响，更不需要通过乘坐摆渡车穿过机场的飞机跑道到达所乘航班，既安全又便捷。而且随着社会进步的步伐，机场数量的增加，登机桥的需求量也会越来越大^[4]，并将最终取代摆渡车这一传统输送方式。
登机桥的研发历史也有很长一段时间了，对于其理论研究以及实践设计已经快有40年了。首座旅客登机桥便是于1959年7月29日在美国旧金山的国际机场搭建。然而，在上个世纪，计算机技术并没有现在这样发达，很多的设计都是只能靠人为来计算。在初期的设计中，设计者们主要是依靠一些相关的力学知识以及数学计算为基础，在根据设计们的经验来进行设计。当设计出一个大概的框架之后，便着手开始生产出一个物理样机，之后的所有优化改善都是基于这个样机来。这种方法费时费力，还浪费材料，在当时的那种年代也只能这样。但是在如今，随着科技技术的不断创新以及发展，计算机的发展更是快到让人无法想象，计算机技术也开始不断的应用到各个领域当中。其中，在机械行业的结构设计中，有限元算法就是比较常用的方法。
旅客登机桥的结构型式多样，按照其结构型式来分，可以分为轮式、柱座式和其他特殊形式，其中轮式又分为旋转式和旋转伸缩式^[1]。本文选用的玻璃幕墙式登机桥就是属于旋转伸缩式登机桥，从整桥运动的传动方式来看，它又属于液压--机电混合式登机桥。钢结构玻璃幕墙式^[5]是目前最新的一种型式，将有限元法应用到登机桥结构设计中，对其进行计算分析，得到的结果准确、可靠。运用有限元分析软件强大的前后处理功能，能得到每一种工况下的应力、位移分布情况，以便对结构的不足之处加以改进，从而为登机桥的设计和选型提供可靠的依据^[6,7]。
1.2 国内外发展现状
1959年7月29日，第一座旅客登机桥在美国的旧金山国际机场搭建完成^[4]。旅客登机桥直接连接了飞机和航站楼，其桥身可左右移动、伸缩和升降，且接机口处有可柔性向外延伸的折棚，能够密合地衔接机舱门，因而可以给旅客提供一个舒适的环境，无需日晒雨淋，方便登机。登机桥早期的设计制造开始于上个世纪七十年代的西方强国，如美国、德国等。他们凭借其优越的工业技术，走在登机桥行业的前列。不管是从设计理念还是做成的成品销售，他们都领先于世界上其他的国家。
但是随着社会的不断发展进步，也有越来越多的登机桥厂家兴起，登机桥的市场竞争也已经不断加剧。而一开始就已经占据主导地位的美国、德国等，已经开始了产业的转移。因为转移到一些第三世界国家后，其生产成本可以大大的降低，甚至有时候将生产放在订货机场的周边附近，这样一来，其大型部件的运输成本也得到了控制，但是登机桥的核心技术却依旧由他们掌握着。
虽然说登机桥的设计制造到如今为止，已经经历了大半个世纪，但是其主体框架^[8]改变的并不是很多，如图1-1所示。

图1-1 登机桥的典型结构
值得一提的是，日本的三菱重工解决了通道连接之间的台阶问题^[9,10]。旅客登机桥的活动通道是由两个大小不同的矩形钢结构桁架套接起来的，其中内外两个通道之间必然会产生一定的台阶。考虑到身体不便的人士，三菱重工将原先的台阶改换成了活动踏板的形式，也就形成了现如今的无障碍式登机桥，从旅客角度来改善登机桥，这也使得登机桥变的更加的人性化。
我国国内也在上个世纪八十年代末开始研发旅客登机桥，其中中集天达集团可以说是承包了国内绝大部分登机桥生产的业务。由于主要的核心技术仍然被强国掌握着，在这样的一种背景下，促使国内的相关技术人员开始认真研究国外的相关文献，开始设计属于我们自己的登机桥项目。开发出了多种功能，比如自动接机、自动退桥、自动调平等。而国内的登机桥厂家也有原来的一家到现在的四五家，技术成果也越来越完善。但是随着民用机场的迅速增加，人们的出行成本逐渐降低，光靠几家公司的产能，远远不能满足国内未来的市场需求。
1.3 本文的主要工作
本文选取旅客登机桥为毕业课题，是因为登机桥的主体为钢结构桁架，在初期生产过程中，需要运用到大量的机械知识。分析旅客登机桥，并且完成旅客登机桥活动通道这一部分结构件的设计，利用有限元软件分析其受力情况，可以使得我们很好的利用大学四年所学到的只是。本文的主要工作如下：
1.分析活动通道结构件的组成构成，并建立好三维模型；
2.钢结构桁架关键部件的设计计算；
3.利用ANSYS软件进行静力学分析；
4.关键零件图、部件装配图、总装配图的绘制。

参考文献

[1] 旅客登机桥.中华人民共和国民用航空行业标准[S].MH/T 6028-2003

[2] IATA-AHM922.Airport Handling Ground Support Equipment Specifications—Basic Requirement For Passenger Boarding Bridge Aircraft Interface[S],2005.

[3] BS EN 12312-4-2003.Aircraft ground support equipment —Specific requirements —Part 4: Passenger boarding bridges[S].

[4] 胡明.浅析登机桥发展现状及机电桥升降驱动下置的研发[J].机电工程技术，2014(4):108-113

[5] 杨蔚华，刘刚，董明望. 新型玻幕墙式登机桥结构有限元分析[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2005，29(6):940-942

[6] Logan D L.有限元方法基础教程[J].第3版.北京:电子工业出版社， 2003. 49~5 

[7] 张艳伟，佟力，孙国正，等.混凝土泵车臂架结构分析研究[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版）2004，28(4): 536-539 

[8] BS EN 12312-4-2003. Passenger boarding bridges for Aircraft ground support equipment General requirements[S]. 

[9] 清水泰明，鳥取勝美，伏屋敏郎，等. 世界初バリアフリータイプ 旅客搭乗橋（PBB）[J] .三菱重工技報Vol.46 No.1（2009）特集論文. 

[10]岡平幸雄.ボーディングブリッジ[P].日本国特許庁（JP）P2008-230297A，2008-10-2. 

[11] 王 鹏.钢结构波纹板登机桥的有限元分析[D]：硕士学位论文.武汉理工大学， 2007.

[12] 李开泰, 黄艾香, 黄庆怀. 有限元方法及其应用[ M] . 西安: 西安交通大学出版社, 1992: 1-3

[13] W’illiliam,Mcguire,Richard H,Gallagher,Matrix Structrual Analysi[J]; John W’iley&Sons,1979

[14] R.W.Clough. The Finite Method in Plane Stress Analysi[J]; Proc.Am.8oc Civ.Engs,1960,87,345~378

[15] R.J.Melosh. Basis for Derivation of Matrices for the Direct Stiffness Method[J]. 1964 1333~1336

[16] THH Pian. Derivation of Element Stiffness Matrices by assumed Stress Distributions[J]. AIAA.J.2,No 9,1964,821~826

[17]唐立民.String Net Function Space and Quasi-Conforming Technique,Symposrum for Hybird and Mixed Finite Element Method[J].Atlanta,L.S.A.,1981

[18] 赵增耀.有限元分析在工程机械钢结构设计及结构优化中的应用[D]:硕士学位论文.长安大学，2009.

[19] NF EN 1915-2-2002. Aircraft Ground Support Equipment General Requirement—Part 2: Stability and strength requirements, calculations and test methods[S].