有限元方法分析金屬結(jié)構(gòu)

2013-06-16 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線

金屬結(jié)構(gòu)是門式啟閉機(jī)(以下簡(jiǎn)稱啟閉機(jī))的重要組成部分,通常其重量占整機(jī)重量的一半。作為整機(jī)的骨架,金屬結(jié)構(gòu)承受著啟閉機(jī)的自重及工作時(shí)的各種外荷載。啟閉機(jī)在運(yùn)行多年以后,由于銹蝕、損傷和老化等原因,其安全性能有所降低。根據(jù)SL101-1994《水工鋼閘門和啟閉機(jī)安全檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》的要求,應(yīng)對(duì)啟閉機(jī)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全檢測(cè)。其中,剛度和強(qiáng)度是評(píng)價(jià)其安全性能的重要指標(biāo)。有些啟閉機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度可以通過(guò)原形觀測(cè)得到,而有些啟閉機(jī)不具備檢測(cè)條件,如無(wú)法施加所需試驗(yàn)載荷等而不能檢測(cè)。有限元方法采用空間薄壁結(jié)構(gòu)理論,所建立的模型能反映啟閉機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的幾何形狀、工作特點(diǎn),作為原形觀測(cè)的有效補(bǔ)充和檢驗(yàn)手段,可以發(fā)揮重要的作用。本文以某水庫(kù)壩頂門式啟閉機(jī)為例,在沒有進(jìn)行原形應(yīng)力和變形檢測(cè)的情況下,采用ALGOR軟件對(duì)啟閉機(jī)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維有限元計(jì)算,并對(duì)如何利用計(jì)算結(jié)果判別其剛度和強(qiáng)度作了詳細(xì)的研究,為啟閉機(jī)的安全評(píng)估提供了依據(jù)。

2概況

某水庫(kù)工程由1座主壩和3座副壩組成,在壩上設(shè)2個(gè)放水底孔、9個(gè)溢洪道、1個(gè)輸水洞、2個(gè)電站進(jìn)水口。其中放水底孔的工作閘門和檢修閘門、溢洪道、輸水洞及電站進(jìn)水口所設(shè)的檢修閘門均由壩頂2*500 kN雙向啟閉機(jī)操作,啟閉機(jī)工作級(jí)別為Ql級(jí)。
啟閉機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)是由3個(gè)相互垂直、各節(jié)點(diǎn)假設(shè)為剛性連接的框架(即主框架、側(cè)框架和平臺(tái)框架)所組成的空間薄壁結(jié)構(gòu)體系,又可分為主梁、支腿、上橫梁、中橫梁、下橫梁,啟閉機(jī)所承受的荷載通過(guò)各構(gòu)件的相互傳遞來(lái)共同承擔(dān)。為真實(shí)反映金屬結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài),根據(jù)各構(gòu)件的蝕余厚度建立了模型。

3計(jì)算模型及參數(shù)

3.1單元?jiǎng)澐?BR> 根據(jù)啟閉機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)并結(jié)合構(gòu)件的形狀,將主梁的加強(qiáng)型鋼離散為梁?jiǎn)卧?其余構(gòu)件離散為板單元。據(jù)此所建立的金屬結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型見圖1,計(jì)算模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為7 450個(gè),單元總數(shù)為8 282個(gè)?？紤]到整個(gè)結(jié)構(gòu)在有限元網(wǎng)格剖分時(shí)各單元的銜接問(wèn)題,建模時(shí)使各個(gè)部件在相互連接處具有相同的節(jié)點(diǎn),并且盡量使板單元長(zhǎng)寬比接近于1,最大不超過(guò)3,以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.2約束處理

金屬結(jié)構(gòu)在4個(gè)行走輪處受Y方向(垂直于軌道水平方向)及z方向(鉛垂向)位移約束,其中一個(gè)行走輪同時(shí)受x方向(平行于軌道方向)位移約束。x、y,z軸方向見圖1.

有限元方法分析金屬結(jié)構(gòu)ansys分析案例圖片1

3.3計(jì)算荷載與計(jì)算工況

計(jì)算荷載主要考慮作用于啟閉機(jī)的額定起重量2*500 kN、小車重量、吊具重量及金屬結(jié)構(gòu)自重。額定起重量及小車均位于最不利位置。

3.4結(jié)構(gòu)尺寸與材料特性

因各構(gòu)件的外形尺寸難以精確測(cè)得,故按設(shè)計(jì)圖紙取用,構(gòu)件的截面厚度采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的蝕余厚度。由于處于對(duì)稱位置的構(gòu)件蝕余厚度不盡相同,金屬結(jié)構(gòu)并非對(duì)稱結(jié)構(gòu),因而計(jì)算結(jié)果也不完全對(duì)稱。金屬結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的材料為Q235鋼,彈性模量E=2.06*105 MPa,泊松比μ= 0.3,容重ν=78.5 kN/時(shí)。

4結(jié)構(gòu)變形計(jì)算結(jié)果與分析

有限元方法分析金屬結(jié)構(gòu)ansys結(jié)果圖圖片2

圖2為啟閉機(jī)金屬結(jié)構(gòu)在計(jì)算荷載下放大比例系數(shù)為250倍的結(jié)構(gòu)變形圖。比較金屬結(jié)構(gòu)變形前后的圖形可以看到,金屬結(jié)構(gòu)在荷載作用下呈明顯的整體性。主梁在:方向隨同支腿發(fā)生了位移,同時(shí)自身也產(chǎn)生了彎曲變形,懸臂端上凸,而跨中部分下凸。支腿向外彎曲,同時(shí)發(fā)生了壓縮。上橫梁、中橫梁、下橫梁與主梁、支腿剛性連接,因而也產(chǎn)生了不同程度的壓彎變形。從金屬結(jié)構(gòu)的變形形狀可以初步分析金屬結(jié)構(gòu)的受力狀況和應(yīng)力分布情況:(1)主梁下翼緣懸臂端受壓,跨中部分受拉;(2)支腿在承受壓應(yīng)力作用的同時(shí),還在主框架平面內(nèi)受到彎矩作用,在兩者的共同作用下成為偏心壓彎構(gòu)件。
根據(jù)DIJT5167-2002《水利水電工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求,啟閉機(jī)應(yīng)進(jìn)行剛度復(fù)核。主要驗(yàn)算主梁的撓度,規(guī)定當(dāng)啟閉機(jī)工作級(jí)別為Ql級(jí)時(shí),主梁的最大撓度與計(jì)算跨度的比值不應(yīng)超過(guò)1/700。

5.1強(qiáng)度評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

(1)許用應(yīng)力許用應(yīng)力與鋼材的厚度直接相關(guān),例中金屬結(jié)構(gòu)各構(gòu)件所用鋼材的厚度均不大于16 mm,屬鋼材尺寸分組中的第1組,其許用應(yīng)力為[б]=160 MPa,[τ]=95 MPa。
金屬結(jié)構(gòu)所用鋼板經(jīng)多年時(shí)效和腐蝕后,力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生一定程度的變化,屈服強(qiáng)度有所降低。根據(jù)SL226-1998 《水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,對(duì)在役啟閉機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí),材料的許用應(yīng)力應(yīng)按使用年限進(jìn)行修正,許用應(yīng)力應(yīng)乘以0.90-0.95的使用年限修正系數(shù)。修正后構(gòu)件材料的許用應(yīng)力為[б]=144 MPa,[τ]= 85.5MPa。
(2)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)啟閉機(jī)金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件在受拉、壓、彎、扭情況下,應(yīng)校核正應(yīng)力。和剪應(yīng)力:,校核公式為:б≤[б],τ≤[τ]
當(dāng)構(gòu)件在同一計(jì)算部位有較大正應(yīng)力、剪應(yīng)力和局部壓應(yīng)力時(shí),除校核正應(yīng)力和剪應(yīng)力外,還應(yīng)校核折算應(yīng)力бzh,校核公式為
бzh≤1.1[б]
式中[б]-調(diào)整后的許用正應(yīng)力
[τ]-調(diào)整后的許用剪應(yīng)力

5.2計(jì)算結(jié)果與分析

(1)主梁主梁是由上、下翼緣及腹板組成的箱形結(jié)構(gòu)。腹板的主要作用是抗彎抗剪,翼緣的主要作用是抗彎。圖3給出了主梁外腹板的軸向(x向)正應(yīng)力бx 、橫向(z向)正應(yīng)力бz ,剪應(yīng)力r及折算應(yīng)力бzh的等值線圖。

有限元方法分析金屬結(jié)構(gòu)ansys結(jié)果圖圖片3

由計(jì)算結(jié)果可知主梁的軸向正應(yīng)力бx的分布與二型結(jié)構(gòu)按平面體系計(jì)算的結(jié)果相吻合。主梁在跨中部分的應(yīng)力較大,而在懸臂端的應(yīng)力則相對(duì)較小,這是由于在跨中,除了作用著自重外,小車、吊具的重量及所承擔(dān)的額定荷載也作用其中,而在懸臂端僅作用有該部分及上橫梁的重量。由2部分的應(yīng)力對(duì)比可以看出,啟閉機(jī)的外荷載在主梁的應(yīng)力中起主要作用。在小車車輪作用處,主梁除有彎曲正應(yīng)力外,還有較大的局部壓應(yīng)力,因而也造成該處有較大的折算應(yīng)力,此壓應(yīng)力以較快的速度沿軸向遞減。主梁腹板在跨中處的剪應(yīng)力并不為零,這是因?yàn)榧魬?yīng)力中含有扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的主要原因是上橫梁與主梁剛性連接,相當(dāng)于在主梁端部施加了扭矩。
在計(jì)算荷載下,主梁軸線方向的最大正應(yīng)力бs為-29.9MPa,橫向最大正應(yīng)力бz為-80.3MPa,最大剪應(yīng)力τ為50.2MPa,最大折算應(yīng)力,бzh為126.5 MPa,均小于材料的應(yīng)力許用值,主梁強(qiáng)度滿足要求。
(2)支腿支腿是整個(gè)結(jié)構(gòu)的主要承壓構(gòu)件,同時(shí)受到主框架平面和側(cè)框架平面內(nèi)的彎矩作用,是一偏心受壓柱。支腿截面為箱型,其最大應(yīng)力出現(xiàn)在翼緣上。由圖3中支腿外腹板軸向(z向)應(yīng)力等值線看出,支腿應(yīng)力由外向內(nèi)、由下向上逐漸增大,較好地反映出了支腿作為偏心受壓柱的受力特性。在計(jì)算荷載下,支腿最大軸向應(yīng)力бz為-28.6 MPa,最大橫向正應(yīng)力бx為-6.1 MPa,最大剪應(yīng)力τ為10.3 MPa,最大折算應(yīng)力бzh為31.1MPa,均小于材料的應(yīng)力許用值,支腿強(qiáng)度滿足要求。
(3)上橫梁、中橫梁、下橫梁上橫梁、中橫梁;下橫梁除承受自重外,還連接著主梁、支腿,構(gòu)成框架共同承受外荷載的作用,同時(shí)下橫梁還承受著上部結(jié)構(gòu)的重量。在計(jì)算荷載下,上橫梁、中橫梁、下橫梁的最大應(yīng)力列于表1。由計(jì)算結(jié)果可知,上橫梁、中橫梁各截面的應(yīng)力分布基本相同,橫向應(yīng)力和剪應(yīng)力很小,軸向應(yīng)力相對(duì)較大,說(shuō)明兩者主要受軸向壓力和純彎矩作用。下橫梁中間段的受力特征與上、中橫梁基本相同,但在與支腿連接處,由于要承擔(dān)支腿傳遞的作用力而產(chǎn)生了較大的局部壓應(yīng)力,使該處成為了下主梁的應(yīng)力控制部位。由表1中數(shù)據(jù)可知,上橫梁、中橫梁、下橫梁的應(yīng)力均小于材料的應(yīng)力許用值,強(qiáng)度滿足要求。

有限元方法分析金屬結(jié)構(gòu)ansys結(jié)果圖圖片4

6結(jié)語(yǔ)

(1)在建立了啟閉機(jī)金屬結(jié)構(gòu)三維有限元模型并計(jì)算之后,可以得到金屬結(jié)構(gòu)各構(gòu)件在荷載作用下的變形和應(yīng)力分布情況。
(2)對(duì)啟閉機(jī)金屬結(jié)構(gòu)各構(gòu)件進(jìn)行校核時(shí)應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。計(jì)算結(jié)果表明:在計(jì)算荷載下,本例中啟閉機(jī)的主梁撓度值小于規(guī)范規(guī)定的許用值,構(gòu)件的應(yīng)力也均小于其應(yīng)力許用值,即啟閉機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度均滿足要求。

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