陳園園

龍門式鋼結(jié)構(gòu)的受力變形與動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

陳園園

龍門結(jié)構(gòu)占地面積小，可快速拆卸安裝，寬度、高度可分級(jí)調(diào)節(jié)，當(dāng)鋼架構(gòu)設(shè)計(jì)合理時(shí)，能承受從100～5000kg重量。龍門結(jié)構(gòu)也可以多樣變化,如在龍門結(jié)構(gòu)上組合擰緊功能單元,就是一臺(tái)擰緊機(jī),組合搬運(yùn)的機(jī)械手,就是一臺(tái)搬運(yùn)機(jī), 龍門結(jié)構(gòu)還可長(zhǎng)可短,某汽車生產(chǎn)廠家有一條1000米的長(zhǎng)龍門和18臺(tái)搬運(yùn)機(jī)械手組成的搬運(yùn)生產(chǎn)線,生產(chǎn)節(jié)拍為61s,從節(jié)拍、占地、能效上來(lái)說(shuō),龍門結(jié)構(gòu)尤其適用于車間設(shè)備或工件的安裝、搬運(yùn)、調(diào)試等工位。龍門的長(zhǎng)度和剛性、穩(wěn)定性成反比，要設(shè)計(jì)好龍門結(jié)構(gòu)就需要分析鋼結(jié)構(gòu)的受力變形和進(jìn)行動(dòng)態(tài)影響分析。

龍門式鋼架設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)探討; 受力分析

1 當(dāng)前龍門式鋼架設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題

汽車生產(chǎn)線工廠主要結(jié)構(gòu)體系一般為門式鋼架結(jié)構(gòu)，以大型立柱型材起主要支撐作用，小型薄壁式型材呈網(wǎng)格狀空間結(jié)構(gòu)焊接在立柱上，兩個(gè)立柱之間的跨度一般為9～36m；當(dāng)焊裝設(shè)備如擰緊機(jī)懸掛在鋼結(jié)構(gòu)型材上工作時(shí)，容易引起鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)較大的變形，同時(shí)隨之引起鋼結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，產(chǎn)生振動(dòng)?？蛻糇鳂I(yè)人員在施工時(shí)，因擰緊機(jī)位置上的鋼結(jié)構(gòu)的變形和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，會(huì)對(duì)焊裝設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生較大的質(zhì)疑，從而對(duì)擰緊機(jī)影響鋼結(jié)構(gòu)的變形及動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析，量化焊裝設(shè)備對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的影響，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 鋼結(jié)構(gòu)分析模型

本文中的舉例分析為擰緊機(jī)和龍門的組合。如項(xiàng)目上有兩臺(tái)擰緊機(jī)安裝在汽車生產(chǎn)線工廠龍門式鋼結(jié)構(gòu)跨度為12m的小型工字鋼上，分別為飛輪和HEAD擰緊機(jī)。飛輪擰緊機(jī)設(shè)備總重為362kg，其中運(yùn)動(dòng)部分的重量為132kg，下降運(yùn)行的速度為100mm/s，加減速時(shí)間為0.2s；HEAD擰緊機(jī)設(shè)備總重為349kg，其中運(yùn)動(dòng)部分的重量為95kg，下降運(yùn)行的速度為100mm/s，加減速時(shí)間也為0.2s。

根據(jù)擰緊機(jī)工作和不工作時(shí)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的受力，取擰緊機(jī)工作的運(yùn)行沖擊系數(shù)β為1.3。

表1 飛輪擰緊機(jī)靜載荷與動(dòng)載荷

表2 HEAD擰緊機(jī)靜載荷與動(dòng)載荷

計(jì)算擰緊機(jī)加減速產(chǎn)生的載荷，工作因沖擊引起的動(dòng)載荷，得到飛輪和HEAD擰緊機(jī)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的靜載荷與動(dòng)載荷分別見表1和表2所示。

按客戶工廠的鋼結(jié)構(gòu)模型，建立殼單元的有限元模型，對(duì)幾何模型進(jìn)行細(xì)節(jié)處理，采用四邊形單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，可以使得模型能夠均勻傳遞力，不容易產(chǎn)生畸變。鋼結(jié)構(gòu)模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為629545個(gè)，單元數(shù)為616530個(gè)。對(duì)擰緊機(jī)滑軌則采用一維梁?jiǎn)卧M(jìn)行建模，節(jié)約模型的計(jì)算資源。

鋼結(jié)構(gòu)在計(jì)算中固定約束鋼結(jié)構(gòu)的連接端點(diǎn)A、B、C、D、E、F、G和H，加載位置則根據(jù)擰緊機(jī)在工作時(shí)位于鋼結(jié)構(gòu)梁上不同的位置，取最變形量最大的軌道中間位置。因此，根據(jù)約束和載荷可組合靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種工況，同時(shí)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)動(dòng)力分析，測(cè)量鋼結(jié)構(gòu)在飛輪和HEAD擰緊機(jī)位置上的變形量和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

3 鋼結(jié)構(gòu)的變形量

按以上約束和載荷計(jì)算兩種工況下鋼結(jié)構(gòu)的變形，得到動(dòng)載荷工況下鋼結(jié)構(gòu)的變形云圖如圖1所示。其中鋼結(jié)構(gòu)在靜態(tài)載荷作用下，飛輪擰緊機(jī)垂向?yàn)閅方向上的最大變形量Umax=-5.08mm，最小變形量為Umin=2.72mm；HEAD擰緊機(jī)垂向?yàn)閅方向上的最大變形量Umax=-6.63mm，最小變形量為Umin=3.55mm；鋼結(jié)構(gòu)在兩種載荷作用下相對(duì)變形量分別為△Umax=1.55mm，△Umin=0.83mm。從設(shè)計(jì)限定的1/1000的擾度為12mm來(lái)看，擰緊機(jī)工作的影響都在鋼結(jié)構(gòu)彈性限度要求內(nèi)。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)在擰緊機(jī)動(dòng)載下變形云圖

4 鋼結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析是確定承受任意隨時(shí)間變化載荷結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的一種方法，可以分析結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)載荷、瞬態(tài)載荷和簡(jiǎn)諧載荷及組合作用下，位移、應(yīng)變及應(yīng)力隨時(shí)間變化的情況。載荷和時(shí)間的相關(guān)性使得慣性力和和阻尼作用明顯。如果慣性力和阻尼作用不明顯，即可以用靜力學(xué)代替瞬態(tài)分析。瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)的基本運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：

[M]——質(zhì)量矩陣；

[C]——阻尼矩陣；

[K]——?jiǎng)偠染仃嚕?/p>

[u]——節(jié)點(diǎn)加速度向量；

[u]——節(jié)點(diǎn)速度向量；

[u]——節(jié)點(diǎn)位移向量。]

若給定任意時(shí)間t，方程（1）可看作是一系列考慮了慣性力[][]Mu和阻尼力[][]C u的靜力學(xué)平衡方程。

為了節(jié)約計(jì)算機(jī)計(jì)算資源，只取飛輪和HEAD擰緊機(jī)加減速時(shí)間為0.2s，總的運(yùn)行時(shí)間為1.5s，設(shè)鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比γ=0.2，粘性阻尼W=300N/ (mm/s)，鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣則由軟件從殼單元和一維單元模型中自動(dòng)解算，節(jié)點(diǎn)加速度、速度和位移向量則由擰緊機(jī)作用點(diǎn)的載荷譜開始，求解鋼結(jié)構(gòu)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的加速度、速度和位移。計(jì)算得到飛輪和HEAD擰緊機(jī)Y向位移時(shí)間曲線如圖2和3所示。得到飛輪擰緊機(jī)工作過(guò)程中的振動(dòng)幅度F=0.35mm，HEAD擰緊機(jī)工作過(guò)程中的振動(dòng)幅度F=0.49mm。

圖2 飛輪擰緊機(jī)Y向位移時(shí)間曲線

圖3 HEAD擰緊機(jī)Y向位移時(shí)間曲線

根據(jù)擰緊機(jī)靜載和動(dòng)載下鋼結(jié)構(gòu)最大變形差為1.55mm，工作過(guò)程中最大振動(dòng)幅度為0.49mm，勻速運(yùn)行時(shí)振動(dòng)幅度較小為0.2mm，可以認(rèn)為擰緊機(jī)的工作引起鋼結(jié)構(gòu)的變形量和振動(dòng)幅度是很微量的。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上文的計(jì)算分析，可以看出，在設(shè)計(jì)龍門式鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，需要進(jìn)行受力變形與動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，以確保龍門結(jié)構(gòu)的鋼性和穩(wěn)定性。

[1]聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社，2010(1).

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