邢啟風(fēng)

（唐山開(kāi)灤建設(shè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，河北 唐山 063000）

礦井井架起吊受力有限元分析

邢啟風(fēng)

（唐山開(kāi)灤建設(shè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，河北 唐山 063000）

針對(duì)大型礦井井架鋼結(jié)構(gòu)起吊過(guò)程中關(guān)鍵點(diǎn)的受力變化問(wèn)題，利用有限元分析獲取了井架起吊受力的大量運(yùn)算數(shù)據(jù)，得出細(xì)致準(zhǔn)確的井架吊裝工程中的力學(xué)變化結(jié)論，同時(shí)也為同類(lèi)吊裝工藝提供更為科學(xué)的參考依據(jù)。

礦井井架；起吊；有限元分析；數(shù)據(jù)

1 井架結(jié)構(gòu)的有限元分析

在井架的施工過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)諸如應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)等工程實(shí)際問(wèn)題。而對(duì)于這些問(wèn)題的分析計(jì)算，以前往往是通過(guò)給定約束簡(jiǎn)單限制前提下，利用偏微分方程解決這些問(wèn)題。這種求解的方法適應(yīng)范圍很窄，對(duì)較簡(jiǎn)單且?guī)缀芜吔缫?guī)則的問(wèn)題還可以，對(duì)較復(fù)雜的問(wèn)題卻很難完成。為了能利用力學(xué)公式計(jì)算，需要去簡(jiǎn)化問(wèn)題：如過(guò)度簡(jiǎn)化問(wèn)題，得到的結(jié)論有時(shí)是不正確的解；對(duì)于復(fù)雜井架結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，利用偏微分方程解決現(xiàn)實(shí)復(fù)雜的受力問(wèn)題，很難完成求解。

在實(shí)際的工程運(yùn)用當(dāng)中，如井架的形狀、外觀、起吊施工方法等各方面的約束，使得井架的力學(xué)特征呈非線(xiàn)性關(guān)系，相對(duì)比較復(fù)雜，簡(jiǎn)化起來(lái)利用力學(xué)公式計(jì)算也更為困難；為解決這方面的問(wèn)題，運(yùn)用力學(xué)理論與現(xiàn)代數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)工具的優(yōu)勢(shì)，來(lái)獲得井架受力的數(shù)值解。

井架的有限元方法分析步驟：

1）確定井架計(jì)算模型。對(duì)井架采取離散結(jié)構(gòu)，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。將井架進(jìn)行總體剖分，將其劃分為有限個(gè)結(jié)構(gòu)單元，組成的每個(gè)結(jié)構(gòu)單元上設(shè)有8個(gè)節(jié)點(diǎn)；相鄰的各單元間，通過(guò)節(jié)點(diǎn)連為一體，讓這些人為劃分的結(jié)構(gòu)單元的結(jié)合體，去替代原來(lái)較復(fù)雜的井架結(jié)構(gòu)。

2）對(duì)井架單元分析。先假定井架單元位移函數(shù)，使之形成節(jié)點(diǎn)間力和位移的函數(shù)關(guān)系；通過(guò)單元?jiǎng)偠染仃囀顾淹廨d荷轉(zhuǎn)化成單元節(jié)點(diǎn)上的載荷，從而實(shí)現(xiàn)力的變換。

3）為了能用節(jié)點(diǎn)位移表示井架任意單元內(nèi)的任何一點(diǎn)處的應(yīng)力應(yīng)變值，引入位移函數(shù)，使之建立起位移與坐標(biāo)的某種關(guān)系。

4）運(yùn)用彈性力學(xué)的幾何方程，形成井架彈性單元節(jié)點(diǎn)位移與單元應(yīng)變的關(guān)系，從而分析井架彈性單元的力學(xué)特性。

5）劃分的井架單元的等效節(jié)點(diǎn)的連續(xù)彈性體在離散化后，可實(shí)現(xiàn)從一個(gè)單元到相鄰單元的力的傳遞。這樣就把單元上的集中力、體積力和表面力等效到單元的各節(jié)點(diǎn)上，形成等效的節(jié)點(diǎn)載荷。

6）井架單元的整體分析。對(duì)井架單元的剛度矩陣進(jìn)行總體集中，形成井架總剛度矩陣，這樣井架單元節(jié)點(diǎn)平衡方程就匯總成了井架結(jié)構(gòu)的整體方程組。

7）進(jìn)行邊界條件處理。通過(guò)井架位移的邊界條件，去除井架總體剛度矩陣的特異部分，把井架的整體的平衡方程完善。

8）求井架結(jié)構(gòu)平衡方程。井架結(jié)構(gòu)的平衡方程是以總剛度矩陣為稀疏的線(xiàn)性代數(shù)方程組，解此方程組可得到井架單元節(jié)點(diǎn)的位移分量。

9）計(jì)算井架單元應(yīng)力。解出的單元各節(jié)點(diǎn)位移的分量，匯總可得到單元的應(yīng)力值。

根據(jù)以上步驟不斷對(duì)優(yōu)化的網(wǎng)格參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，可得到井架對(duì)外載荷作用下各部位的應(yīng)力、應(yīng)變和位移的數(shù)值。

2 建立井架三維實(shí)體模型

圖1 斜撐上局部結(jié)構(gòu)

為保證分析計(jì)算的正確性和精確性，工程應(yīng)用了美國(guó)著名的UGS公司的三維設(shè)計(jì)軟件，嚴(yán)格按照井架的工程圖紙中的幾何及尺寸參數(shù)完成了井架三維實(shí)體建模，如圖1～圖4所示。該模型是以淮南礦業(yè)集團(tuán)丁集煤礦主井井架為參數(shù)建立的模型；該井架為對(duì)面雙提升亭式井架、井架的起重架上平面標(biāo)高為+69.000 m；A、B兩個(gè)斜撐設(shè)計(jì)完全相同，兩斜撐的底部中心線(xiàn)距離為32840.4 mm，每個(gè)斜撐的根部距離為36988.6 mm。井架斜撐沿提升線(xiàn)方向，為變截面，每個(gè)斜撐兩柱上端中心線(xiàn)寬為8600 mm，斜撐變截面點(diǎn)處的標(biāo)高+48.000 m，安裝完畢后兩斜撐合攏呈“A”字形狀。井架設(shè)計(jì)凈重800.88t；井架與基礎(chǔ)的連接為T(mén)型螺栓鉸接；結(jié)構(gòu)鋼材料為Q235-C，密度是7.85 g/cm3，起吊單件斜撐最大質(zhì)量331908.2 kg，質(zhì)心距井架底部距離為40725.3 mm。

3 井架有限元分析

3.1 井架三維模型的導(dǎo)入

圖2 斜撐中局部結(jié)構(gòu)

圖3 斜撐下局部結(jié)構(gòu)

圖4 斜撐鉸鏈支座結(jié)構(gòu)

用三維設(shè)計(jì)軟件的優(yōu)異建模功能建立的井架三維實(shí)體模型，通過(guò).sat文件格式轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入ANSYS軟件前處理模塊環(huán)境。

3.2 井架三維模型有限元單元選擇與材料參數(shù)

1）單元?jiǎng)澐?。首先是選定具有二次方位移的solid 45單元，劃分的單元由8個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行定義,每個(gè)節(jié)點(diǎn)有x、y、z三個(gè)方向位移的自由度。使劃分的單元具有大變形、大張力、蠕動(dòng)、膨脹、可塑性和應(yīng)力剛化的能力。采用手動(dòng)劃分網(wǎng)格，以每條線(xiàn)300的尺寸劃分，共得到350509個(gè)單元。

2）材料參數(shù)。材料選用彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3，其密度是7.85 g/cm3。

3.3 井架載荷及邊界條件

起吊井架斜撐的載荷及受力分析，需考慮的是約束和加載兩方面問(wèn)題。

約束與加載：在整個(gè)井架起吊過(guò)程中鉸鏈底座是固定不動(dòng)的，所以將鉸鏈底座的底面約束其全部自由度。根據(jù)起吊到不同角度時(shí)，起吊力與斜撐的夾角變化進(jìn)行力F的加載，同時(shí)再對(duì)斜撐施加豎直向下的重力加速度g，如圖5所示，在圖中顯示了力分析中的加載，約束以及重力之間的相互位置。圖6為底部支撐鉸鏈約束位置放大圖。

3.4 井架有限元運(yùn)算結(jié)果與分析

圖5 加載示意圖

為使井架起吊安全，需通過(guò)有限元分析來(lái)充分了解井架起吊的幾個(gè)關(guān)鍵受力點(diǎn)，它包括井架在起吊時(shí)，最大構(gòu)件（斜撐）起吊時(shí)的最大應(yīng)力，通過(guò)鉸鏈反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)井架起吊的底座鉸鏈銷(xiāo)軸的最大應(yīng)力，底座鉸鏈上部承受的最大應(yīng)力和井架整體變形位移等問(wèn)題。

1）起吊過(guò)程的斜撐最大應(yīng)力。

圖7～圖9顯示了井架在不同起吊角度下井架以及鉸鏈的等效應(yīng)力云圖，在圖中不同的顏色代表了不同應(yīng)力值，其值與下面的顏色條中的值相對(duì)應(yīng)；以下圖片為截取的0°～80°等不同角度中斜撐最大受力值圖。

從表1應(yīng)力云圖匯總表中可以看出，起吊到10°時(shí)，最大應(yīng)力為215.681 MPa，其他角度的應(yīng)力都小于這個(gè)值，且最大應(yīng)力值仍小于所選材料Q235-C鋼的屈服極限，井架及鉸鏈在起吊過(guò)程中是安全的，不會(huì)發(fā)生屈服變形。

圖6 底部支撐鉸鏈約束

圖7 起吊斜撐10°時(shí)左視應(yīng)力云圖

圖9 起吊斜撐10°時(shí)最大應(yīng)力處局部

表1 起吊過(guò)程的斜撐（在鉸鏈處）最大應(yīng)力

2）底座鉸鏈銷(xiāo)軸的應(yīng)力有限元分析。

圖10～圖12為截取的0°～80°等不同角度中最大受力值圖。

圖10 井架斜撐50°時(shí)銷(xiāo)軸的剪切應(yīng)力云圖

表2是鉸鏈的銷(xiāo)軸在不同的起吊角度下，利用有限元軟件得出的銷(xiāo)軸的剪切應(yīng)力。

表2 銷(xiāo)軸在不同角度下的剪切應(yīng)力

從上面的圖和表中，可以看出銷(xiāo)軸的最大剪切應(yīng)力一直在90 MPa以?xún)?nèi)，對(duì)于最大剪切應(yīng)力117.6 MPa的Q235-C能滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。但從表2中可以得出，隨起吊角度的增大，剪切應(yīng)力在50°達(dá)到最大，而后逐漸減小。

3）底座鉸鏈上部的應(yīng)力有限元分析。

鉸鏈上部與井架箱體焊接部位的焊縫的受力變化，其應(yīng)力如表3所示，鉸鏈上支座的應(yīng)力云圖如圖11所示。

圖11 井架斜撐40°時(shí)上支座應(yīng)力云圖

圖中圖片為截取的0°～80°等不同角度中最大受力值圖。表3為焊接部位的應(yīng)力隨起吊角度的變化。

表3 鉸鏈上部與井架箱體焊接部位的應(yīng)力變化MPa

小結(jié)：從此表中可以得出，在0°～80°隨起吊角度的增大，焊縫的應(yīng)力值在40°時(shí)最大，也未超過(guò)選用材料Q235-B所允許的強(qiáng)度要求。

4）井架整體的變形位移分析。

通過(guò)有限元分析計(jì)算，得出井架整體的變形位移隨起吊角度的變化情況，起吊斜撐70°時(shí)井架變形位移量最大。圖12為截取的顯示井架在不同起吊角度下井架以及鉸鏈的變形位移值最大395.6 mm的圖。

4 井架起吊的有限元分析結(jié)論

通過(guò)對(duì)井架起吊過(guò)程的有限元分析得出以下結(jié)論：

1）井架斜撐在起吊過(guò)程中，10°的位置應(yīng)力值達(dá)到最大；此時(shí)對(duì)于銷(xiāo)軸，其最大應(yīng)力點(diǎn)在銷(xiāo)軸下部偏向銷(xiāo)軸受擠壓部位，位置和力學(xué)的理論計(jì)算相符。

2）井架斜撐10°時(shí)銷(xiāo)軸的最大剪切應(yīng)力為銷(xiāo)軸靠中間位置；20°～80°時(shí)銷(xiāo)軸的最大剪切應(yīng)力為銷(xiāo)軸邊緣位置；隨著起吊角度的增大，剪切應(yīng)力在40°～50°達(dá)到最大，而后逐漸減小。

圖12 起吊斜撐70°時(shí)井架變形位移

3）對(duì)于鉸鏈上部與井架箱體焊接部位的焊縫的受力變化，有限元分析的結(jié)論是：在0°～80°隨起吊角度的增大焊縫的應(yīng)力值在40°～50°范圍時(shí)最大，峰值出現(xiàn)在40°位置。

4）通過(guò)有限元分析計(jì)算，得出井架整體的變形位移隨起吊角度的變化情況，起吊斜撐70°時(shí)井架變形位移量最大。

井架起吊現(xiàn)場(chǎng)圖片如圖13所示。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)井架支撐結(jié)構(gòu)吊裝過(guò)程的有限元分析，得到大量的數(shù)據(jù)和可視化圖形。全面、清晰的應(yīng)力場(chǎng)、變形位移場(chǎng)，為評(píng)價(jià)大型井架支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和吊裝過(guò)程中的安全合理性提供了可靠的依據(jù)，減小了過(guò)去采用材料力學(xué)和理論力學(xué)驗(yàn)算強(qiáng)度及安全系數(shù)的誤差，發(fā)現(xiàn)了可能出現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)和問(wèn)題，并及時(shí)采取有效的措施。

圖13 兩斜撐合攏圖片

［1］中華人民共和國(guó)建設(shè)部，中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB50017-2003［S］.

［2］楊文淵.起重吊裝常用數(shù)據(jù)手冊(cè)［M］.北京：人民交通出版社，2001.

（編輯 明 濤）

TD541

A

1002-2333（2015）08-0096-04

邢啟風(fēng)（1966—），男，工程碩士，高級(jí)工程師，從事機(jī)電設(shè)備的安裝與運(yùn)用研究工作。

2015-02-25