倪潮 (武漢輕工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,湖北武漢 430023)

變截面鋼車梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值模擬研究

倪潮 (武漢輕工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,湖北武漢 430023)

隨著鋼鐵行業(yè)的迅速發(fā)展,對鋼吊車梁結(jié)構(gòu)的性能要求也越來越高,保證變截面鋼吊車梁的安全使用是鋼鐵生產(chǎn)中的重要工作。通過有限元分析軟件對某鋼廠36m跨度的梯形變截面鋼吊車梁進(jìn)行靜態(tài)特性分析,得到吊車分別位于吊車梁的跨中位置和端部位置下2種不同工況下變截面鋼吊車梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律,分析結(jié)果表明,2種工況下鋼吊車梁的最大平均應(yīng)力是114.691 MPa,應(yīng)力最大豎向撓度為19.414mm(L/1854),從應(yīng)力云圖可以看出,在吊車梁的梯形變截面端部位置有很大的應(yīng)力集中,在循環(huán)荷載往復(fù)作用下成為破壞的薄弱點。可以考慮在上翼緣加焊鋼板的方法,提高被加固構(gòu)件的承載能力。為變截面鋼車梁的設(shè)計運行提供了準(zhǔn)確的理論依據(jù)。

力應(yīng)變;鋼車梁;應(yīng)力集中;有限元分析;數(shù)值模擬

近年來,隨著國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展,生產(chǎn)科技不斷進(jìn)步,現(xiàn)階段煉鐵生產(chǎn)能力正逐步加大,經(jīng)過近20年的發(fā)展,鋼鐵工業(yè)在國家經(jīng)濟(jì)水平和綜合國力上地位更加顯著,逐漸成長為我國國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。數(shù)據(jù)顯示,從1978年至2007年短短29年中,我國鋼鐵需求量由3717×104t增長到4.89×108t,并不斷呈現(xiàn)出上升趨勢。同時,大量數(shù)據(jù)也表明,大部分由鋼鐵作為支撐的工業(yè)建筑都已經(jīng)超過或接近設(shè)計使用年限,其中使用期超過30年的工業(yè)建筑約為7.1×108m2,占到我國工業(yè)建筑總量的35.5%以上。伴隨著生產(chǎn)力的進(jìn)一步發(fā)展,廠房結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的生產(chǎn)載荷也日趨多樣化,更加加劇了直接承擔(dān)吊車載荷的鋼吊車梁的破壞程度,導(dǎo)致大部分鋼結(jié)構(gòu)吊車梁在遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計使用年限時便出現(xiàn)了裂縫甚至斷裂現(xiàn)象,統(tǒng)計表明其中50%～90%都源自于疲勞破壞[1-2]。因此,為確保各項生產(chǎn)的安全進(jìn)行,亟需對接近設(shè)計使用年限的工業(yè)廠房進(jìn)行鑒定、加固和改造。廠房中的變截面鋼吊車梁在其頻繁的使用過程中,均出現(xiàn)了不同程度的疲勞裂縫最終導(dǎo)致突然斷裂,嚴(yán)重危害生產(chǎn)安全。在鋼鐵行業(yè)的各大廠房中,變截面鋼吊車梁的存在顯得尤為重要,它是運輸鋼包、起吊鋼材及廠房維修等的必需設(shè)備。因此,保證變截面鋼吊車梁的安全使用是鋼鐵生產(chǎn)中的重要工作。下面,筆者通過對承受大載荷的梯形變截面鋼吊車梁應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律進(jìn)行了研究,提出了針對易產(chǎn)生斷裂部位的維護(hù)加固策略,保證變截面鋼吊車梁的安全運行。

1 吊車梁結(jié)構(gòu)的CAE模型

表1 Q345的機(jī)械性能

梯形變截面鋼吊車梁結(jié)構(gòu)為焊接工字形吊車梁,由上、下翼緣和腹板及加勁肋構(gòu)成,雖然都為鋼板材料,可是尺寸各不相同。吊車梁上翼緣寬度為750mm,下翼緣寬度為600mm,厚度均為30mm,腹板、橫向加勁肋和豎向加勁肋厚度分別為18、14和12mm。鋼板的材料為Q345,各向同性材料,材料的彈性模量E=2.1×105MPa,泊松比μ=0.3,由于后面計算中要考慮吊車梁的自重,所以設(shè)定密度ρ= 7.85×10-9t/mm3。Q345的機(jī)械性能如表1所示。

三維模型建立過程中,為了提高計算精確性,根據(jù)上述吊車梁結(jié)構(gòu)的實際設(shè)計與加工尺寸建立準(zhǔn)確的1∶1模型,同時可以忽略相對較小且不影響計算結(jié)果的細(xì)微結(jié)構(gòu)。建立CAE模型時要將三維制圖軟件PRO/E建立的模型文件轉(zhuǎn)存為IGES的格式導(dǎo)入到Ansys中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了后期有限元計算準(zhǔn)確順利地進(jìn)行,首先要建立統(tǒng)一的單位制,PRO/E建模選取的單位制為mm-N-s,則Ansys結(jié)構(gòu)分析中采用t-mm-s單位制。圖1所示為梯形變截面鋼吊車梁結(jié)構(gòu)平面示意圖,直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點設(shè)在吊車梁的下翼緣中心位置。圖2為完整的梯形變截面鋼吊車梁的PRO/E三維模型。圖3所示為吊車梁在Ansys中的網(wǎng)格劃分,離散為73955個Solid186單元。

圖1 吊車梁結(jié)構(gòu)平面示意圖

圖2 吊車梁結(jié)構(gòu)三維模型

圖3 局部網(wǎng)格劃分放大圖

2 參數(shù)的基本設(shè)置與載荷施加

實際工況中,36m跨度梯形變截面鋼吊車梁支承的吊車總寬度為28m,共計8個輪子,一側(cè)吊車梁所承擔(dān)的4個輪子中前后輪距總長為7800mm,2個前輪中心距到2個后輪中心距的距離為6000mm,計算時每個輪的最大輪壓值為272k N,輪壓分布情況如圖4所示[3-4]。

根據(jù)吊車梁的實際工作狀況和結(jié)構(gòu)力學(xué),確定吊車分別位于吊車梁的跨中位置和端部位置下的2種計算工況,并計算出這2種工況下施加載荷的準(zhǔn)確位置,通過在車輪和吊車梁接觸點處施加輪壓值來完成加載。根據(jù)吊車載重在吊車梁上行進(jìn)的過程以及《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017-2003)可知,彎矩最大時,吊車并不是完全位于吊車梁中央,而是會有一個確切產(chǎn)生最大彎矩的位置。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué),簡支梁在任意排列的一組集中荷載作用下所產(chǎn)生的最大彎矩可按合力作用線與最近一個集中荷載間的距離被梁跨中線平分的原則確定,與合力最近的集中荷載所在的位置為最大彎矩所在截面,由該截面的彎矩影響線即可確定吊車豎向輪壓產(chǎn)生的最大豎向彎矩。當(dāng)?shù)踯囄挥谌鐖D5所示的位置時,最大彎矩點為C點,即最大彎矩計算工況。圖6為吊車梁位于端部位置的計算工況。

4個輪子作用于梁上時,最大彎矩點(C)的位置為:

圖4 輪壓分布圖

圖5 吊車位于跨中位置附近

圖6 吊車位于端部位置

式中,Mcmax為最大彎矩;l為吊車梁結(jié)構(gòu)的跨度;P為吊車車輪對軌道的輪壓,施加集中載荷;a為合力作用點距離A端的距離。

工況1:吊車位于吊車梁如圖5所示位置,整個吊車梁長為36m,吊車合力作用點距離一端:a= 19.275m,b=16.725m。工況2:吊車位于吊車梁如圖6所示位置,吊車合力作用點距離一端:a= 3.45m,b=32.55m。在上述確定的2種加載位置車輪與吊車梁的接觸處15個節(jié)點上施加鉛垂方向向下的載荷,每個節(jié)點的載荷值為18133N。在上述2種加載情況下,吊車梁結(jié)構(gòu)有限元模型的單元類型、邊界條件和網(wǎng)格劃分均相同,只是鉛垂方向的載荷的作用位置不同。由于吊車的自重影響很大不可忽略,所以計算要同時加載重力加速度。將梯形變截面鋼吊車梁結(jié)構(gòu)簡化為簡支梁進(jìn)行受力分析,所以約束邊界條件設(shè)置為在吊車梁左側(cè)施加全約束載荷,仿照實際條件保持計算模型的穩(wěn)定性;在吊車梁右端施加Y、Z方向約束載荷。

在建立有限元模型并完成參數(shù)設(shè)置和載荷施加之后,對2種計算工況分別進(jìn)行求解,具體求解操作步驟如下[5]:

1)指定分析類型Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞New analysis,選擇Static;

2)選擇單元類型并定義材料屬性Main Menu＞Preprocessor＞Element Type和＞Material Props;

3)網(wǎng)格劃分Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Mesh Tool;

4)施加約束和載荷Main Menu＞Solution＞Define Loads;

5)然后進(jìn)行求解Main Menu＞Solution＞Solve＞Current LS。

3 仿真結(jié)果與分析

為了對36m跨度梯形變截面鋼吊車梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度評估提供參考,故需對吊車梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)分析,求解受載后的應(yīng)力應(yīng)變[6-8]。

1)吊車位于吊車梁跨中位置附近。圖7是梯形變截面鋼吊車梁結(jié)構(gòu)鉛垂方向(Y方向)變形圖,吊車梁的最大撓度為15.6004mm。圖8是吊車梁結(jié)構(gòu)的Von Mises等效應(yīng)力分布圖,圖9是變截面處Von Mises等效應(yīng)力云圖。從圖7和圖8可以看出,這種吊車位于吊車梁跨中位置附近的工況,吊車梁鋼結(jié)構(gòu)受力和變形的分布較為均勻,且最大應(yīng)力在材料可承受范圍內(nèi),有較大富裕,能夠滿足該工況的要求,但從圖9可以看出梯形截面突變處應(yīng)力集中嚴(yán)重,在吊車的反復(fù)工作中,交變載荷的作用易導(dǎo)致該處疲勞裂紋的產(chǎn)生,最終造成破環(huán),其最大撓度相對于整體尺寸來說較小,即變形量很小,在可控范圍內(nèi)。

圖7 吊車梁結(jié)構(gòu)鉛垂方向(Y方向)變形圖

圖8 吊車梁結(jié)構(gòu)的Von Mises等效應(yīng)力分布圖

2)吊車位于吊車梁端部位置。圖10是梯形變截面鋼吊車梁結(jié)構(gòu)鉛垂方向(Y方向)變形圖,吊車梁的最大撓度為3.4845mm。圖11是吊車梁結(jié)構(gòu)的Von Mises等效應(yīng)力分布圖,圖12是變截面突變處Von Mises等效應(yīng)力云圖。從圖10和圖11可以看出,在這種工況下鋼結(jié)構(gòu)的受力和變形比跨中位置的受力和變形更小,但圖12表明在梯形截面突變處仍然存在應(yīng)力集中,這就說明在吊車的整個運行過程中都存在該應(yīng)力集中問題,這是一個普遍的問題,可以考慮加焊鋼板的方法來提高吊車梁的截面剛度,避免應(yīng)力集中對吊車梁造成疲勞破壞,提高吊車梁的使用壽命。

圖9 梯形變截面處局部Von Mises等效應(yīng)力云圖

圖10 吊車梁結(jié)構(gòu)鉛垂方向(Y方向)變形圖

圖11 吊車梁結(jié)構(gòu)的Von Mises等效應(yīng)力分布圖

圖12梯形變截面處局部Von Mises等效應(yīng)力云圖

4 結(jié)語

對梯形變截面鋼吊車梁結(jié)構(gòu)在2種工況下的靜態(tài)分析結(jié)果表明,該吊車梁尺寸和結(jié)構(gòu)合理,滿足設(shè)計基本要求。從應(yīng)力云圖可以看出,在吊車梁的梯形變截面端部位置有很大的應(yīng)力集中,在循環(huán)荷載往復(fù)作用下成為疲勞破壞的薄弱點,因此在翼緣彎折處極易因疲勞而造成開裂。考慮在上翼緣加焊鋼板的方法,還可以增大截面剛度,提高被加固構(gòu)件的承載能力,為變截面鋼車梁的設(shè)計運行提供了準(zhǔn)確的理論依據(jù)。

[1]汪一駿,顧泰昌,馮東.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊(上冊)[M].第3版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004.

[2]李順酩.機(jī)械疲勞與可靠性設(shè)計[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

[3]代軍.對3種變截面吊車梁的有限元分析[J].工程設(shè)計,2011,26(11):44-46.

[4]劉淑香.集裝箱龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計[D].成都:西南交通大學(xué),2007.

[5]夏光軍.焊接吊車梁腹板開裂原因及防止措施[J].鋼結(jié)構(gòu),2010,25(4):65-68.

[6]李如忠.Ansys軟件中的單位制分析[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2008,(2):90-91.

[7]武江傳.Ansys在結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用[J].連云港化工高等專科學(xué)校學(xué)報,2002,15(3):29-31.

[8]陳炯,路志浩,徐峰,等.變截面吊車梁圓弧式和直角式突變支座的受力性能分析[J].結(jié)構(gòu)工程師,2010,26(1):22-27.

[編輯]洪云飛

TU391;TU311

A

1673-1409(2014)19-0062-04

2014-02-07

倪潮(1992-),男,現(xiàn)主要從事自動化方面的學(xué)習(xí)工作。