基于ANSYS的錨定支架力學(xué)性能研究

劉國(guó)東， 胡宗軍

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院， 安徽 合肥 230009)

纜索起重機(jī)在水電工程中應(yīng)用廣泛，主要應(yīng)用于大型混凝土壩的混凝土澆筑作業(yè)、機(jī)械設(shè)備和鋼結(jié)構(gòu)的安裝，尤其適用于高山峽谷中的混凝土高壩施工。

纜索起重機(jī)按其工作性質(zhì)不同分為5個(gè)基本組成部分，即承載索、工作平臺(tái)、小車、塔架和錨定支架，而錨定支架是纜索起重機(jī)地面部分的主要承力構(gòu)件，直接影響著纜索起重機(jī)的起重性能和施工安全。

1 結(jié)構(gòu)與有限元模型

錨定支架是連接纜索起重機(jī)與地面的結(jié)構(gòu)，是纜索的承力構(gòu)件。LQ2000/200kN型纜索起重機(jī)的錨碇支架結(jié)構(gòu)主要由承力帶、承力架、滑道機(jī)房墻架、屋檁架及屋檁板、JM28M型卷?yè)P(yáng)機(jī)機(jī)座架及鋪板、8t起升卷?yè)P(yáng)機(jī)機(jī)座架及鋪板和導(dǎo)向輪架組成。承力架上橫梁、承力架中縱梁和屋檁架中縱梁均為工字型截面，尺寸，材質(zhì)Q345-b。屋檁架和機(jī)座滿鋪鋼板，其中屋檁板厚度為10mm，JM28M型卷?yè)P(yáng)機(jī)機(jī)座鋪板和8t起升卷?yè)P(yáng)機(jī)機(jī)座鋪板厚度均為6mm，鋪板材質(zhì)均為Q345-b鋼。錨碇架結(jié)構(gòu)中槽鋼為，，材質(zhì)為Q345-b。結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

利用ANSYS軟件按照結(jié)構(gòu)圖紙建立錨定支架的有限元模型。有限元模型中各個(gè)構(gòu)件的幾何拓?fù)潢P(guān)系、截面和材料屬性按照CAD圖紙建立，鋼材的彈性模量取E=2.10×1011Pa,泊松比取μ=0.3，考慮到連接件重量，鋼材密度取ρ=8.2×103kg/m3(增加5%重量)，重力加速度取-9.8m/s2，錨定支架采用beam188梁?jiǎn)卧M，承力帶、屋檁板、鋪板用shell181殼單元進(jìn)行模擬。beam188梁?jiǎn)卧cshell181殼單元之間剛性連接，在劃分網(wǎng)格時(shí)使其共用節(jié)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)處有相同的自由度。全結(jié)構(gòu)共劃分為8950個(gè)單元，12845個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元模型如圖2所示。

圖1 錨定結(jié)構(gòu)圖 圖2錨定支架有限元圖

2 強(qiáng)度剛度分析

2.1 錨定支架荷載

除重力荷載之外，錨定支架承受的荷載有3類:T1為背索拉力，作用于承力帶主索錨輪上，T1=300t，與水平面夾角28.814°。T2為JM28M牽引卷?yè)P(yáng)機(jī)作用力，T2=36t。T3為8t起升卷?yè)P(yáng)機(jī)作用力T3=8t。

2.2 邊界條件

圖3 錨定支架荷載

以8t起升卷?yè)P(yáng)機(jī)機(jī)座架橫梁長(zhǎng)度方向?yàn)閄軸，豎直方向?yàn)閅軸建立直角坐標(biāo)系。由于錨定支架下部通過(guò)預(yù)埋件固定在混凝土上，所以對(duì)錨定支架下部X、Y、Z方向進(jìn)行約束，承力帶下部由滑橇導(dǎo)軌固定在混凝土上，對(duì)承力帶下部X、Y、Z方向全約束，約束如圖3所示。

2.3 剛度分析

剛度是指材料或結(jié)構(gòu)在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。在工程上，有些機(jī)械、橋梁、建筑物、飛行器和艦船就因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)剛度不夠而出現(xiàn)失穩(wěn)，或在流場(chǎng)中發(fā)生顫振等災(zāi)難性事故，因此在工程中，必須要確保結(jié)構(gòu)有足夠的剛度。通過(guò)有限元分析，錨定支架的位移場(chǎng)如圖4-圖7所示。

圖4 X方向位移圖5 Y方向位移

圖6 Z方向位移 圖7 總位移

由于在X方向上受一個(gè)水平分力，錨定支架在X方向的最大位移為3.06mm，Y方向的最大位移為0.71mm，Z方向最大位移為0.69mm，總的最大位移為3.08mm，小于允許位移17.1mm，所以錨定支架結(jié)構(gòu)滿足剛度要求。

2.4 強(qiáng)度分析

施加荷載,經(jīng)過(guò)有限元計(jì)算，所得整體及各個(gè)構(gòu)件的Mises應(yīng)力云紋圖如圖8～圖17所示。各個(gè)構(gòu)件的最大應(yīng)力及最大應(yīng)力位置如表1所列。

圖8整體Mises應(yīng)力圖9機(jī)械房Mises應(yīng)力圖10 8t起升卷?yè)P(yáng)機(jī)機(jī)座Mises應(yīng)力

圖11 JM28M型卷?yè)P(yáng)機(jī)底座Mises應(yīng)力圖12屋檁架Mises應(yīng)力圖13墻架Mises應(yīng)力

圖14承力連接架Mises應(yīng)力圖15導(dǎo)向輪架Mises應(yīng)力圖16承力帶Mises應(yīng)力圖17承力帶局部Mises應(yīng)力

表1 最大應(yīng)力分布表

由表1可見(jiàn)，卷?yè)P(yáng)機(jī)底座處的受力較小，在40MPa以下，墻架受力較大的點(diǎn)出現(xiàn)在斜桿處為101MPa，豎桿處受力較小，由于導(dǎo)向輪架上沒(méi)有直接作用力，所以受力最小，在30MPa以下，承力帶上有直接作用力，在承力帶焊接版中間受力最大為278MPa，小于承力帶Q345鋼的許用應(yīng)力290MPa，所以錨定支架強(qiáng)度滿足要求。

3 結(jié)論

應(yīng)用ANSYS軟件建立錨定支架有限元模型，對(duì)錨定支架進(jìn)行力學(xué)析，獲得整體以及局部結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，計(jì)算結(jié)果分析表明：

(1)錨定支架。其位移較小，遠(yuǎn)小于許用位移，剛度滿足要求。

(2)靜應(yīng)力分布規(guī)律。錨定支架下部豎桿以及橫桿受力比較小，材料力學(xué)性能有很大的余量，高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在屋檁架左側(cè)橫梁處以及承力帶焊接版中間，應(yīng)力最高達(dá)到278MPa，接近材料許用應(yīng)力290MPa，建議結(jié)構(gòu)修改，將其換成箱型梁或者加厚翼緣厚度。

[參 考 文 獻(xiàn)]

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