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)

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(diǎn)?？梢钥紤]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(jì)運(yùn)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(shí),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(jì)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(jì)使用年限時(shí)便出現(xiàn)了裂縫甚至斷裂現(xiàn)象,統(tǒng)計(jì)表明其中50%～90%都源自于疲勞破壞[1-2]。因此,為確保各項(xiàng)生產(chǎn)的安全進(jìn)行,亟需對接近設(shè)計(jì)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(yùn)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(yùn)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(jì)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(jì)算精確性,根據(jù)上述吊車梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際設(shè)計(jì)與加工尺寸建立準(zhǔn)確的1∶1模型,同時(shí)可以忽略相對較小且不影響計(jì)算結(jié)果的細(xì)微結(jié)構(gòu)。建立CAE模型時(shí)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(jì)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(diǎn)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(gè)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(shí)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(jì)8個(gè)輪子,一側(cè)吊車梁所承擔(dān)的4個(gè)輪子中前后輪距總長為7800mm,2個(gè)前輪中心距到2個(gè)后輪中心距的距離為6000mm,計(jì)算時(shí)每個(gè)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(shí)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(jì)算工況,并計(jì)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(diǎn)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(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)可知,彎矩最大時(shí),吊車并不是完全位于吊車梁中央,而是會有一個(gè)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(gè)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(shí),最大彎矩點(diǎn)為C點(diǎn),即最大彎矩計(jì)算工況。圖6為吊車梁位于端部位置的計(jì)算工況。

4個(gè)輪子作用于梁上時(shí),最大彎矩點(diǎn)(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(diǎn)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(gè)吊車梁長為36m,吊車合力作用點(diǎn)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(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)上施加鉛垂方向向下的載荷,每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(jì)算要同時(shí)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(shí)際條件保持計(jì)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(jì)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(gè)運(yùn)行過程中都存在該應(yīng)力集中問題,這是一個(gè)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(jì)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(diǎn),因此在翼緣彎折處極易因疲勞而造成開裂?？紤]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(jì)運(yùn)行提供了準(zhǔn)確的理論依據(jù)。

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[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。