搜索有限元方法分析金屬結構
2013-06-16 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
金屬結構是門式啟閉機(以下簡稱啟閉機)的重要組成部分,通常其重量占整機重量的一半。作為整機的骨架,金屬結構承受著啟閉機的自重及工作時的各種外荷載。啟閉機在運行多年以后,由于銹蝕、損傷和老化等原因,其安全性能有所降低。根據SL101-1994《水工鋼閘門和啟閉機安全檢測技術規程》的要求,應對啟閉機金屬結構進行安全檢測。其中,剛度和強度是評價其安全性能的重要指標。有些啟閉機金屬結構的強度和剛度可以通過原形觀測得到,而有些啟閉機不具備檢測條件,如無法施加所需試驗載荷等而不能檢測。有限元方法采用空間薄壁結構理論,所建立的模型能反映啟閉機金屬結構的幾何形狀、工作特點,作為原形觀測的有效補充和檢驗手段,可以發揮重要的作用。本文以某水庫壩頂門式啟閉機為例,在沒有進行原形應力和變形檢測的情況下,采用ALGOR軟件對啟閉機金屬結構進行了三維有限元計算,并對如何利用計算結果判別其剛度和強度作了詳細的研究,為啟閉機的安全評估提供了依據。
2概況
某水庫工程由1座主壩和3座副壩組成,在壩上設2個放水底孔、9個溢洪道、1個輸水洞、2個電站進水口。其中放水底孔的工作閘門和檢修閘門、溢洪道、輸水洞及電站進水口所設的檢修閘門均由壩頂2*500 kN雙向啟閉機操作,啟閉機工作級別為Ql級。
啟閉機的金屬結構是由3個相互垂直、各節點假設為剛性連接的框架(即主框架、側框架和平臺框架)所組成的空間薄壁結構體系,又可分為主梁、支腿、上橫梁、中橫梁、下橫梁,啟閉機所承受的荷載通過各構件的相互傳遞來共同承擔。為真實反映金屬結構的受力狀態,根據各構件的蝕余厚度建立了模型。
3計算模型及參數
3.1單元劃分
根據啟閉機金屬結構的結構形式和受力特點并結合構件的形狀,將主梁的加強型鋼離散為梁單元,其余構件離散為板單元。據此所建立的金屬結構有限元計算模型見圖1,計算模型的節點總數為7 450個,單元總數為8 282個。考慮到整個結構在有限元網格剖分時各單元的銜接問題,建模時使各個部件在相互連接處具有相同的節點,并且盡量使板單元長寬比接近于1,最大不超過3,以保證結果的準確性。
3.2約束處理
金屬結構在4個行走輪處受Y方向(垂直于軌道水平方向)及z方向(鉛垂向)位移約束,其中一個行走輪同時受x方向(平行于軌道方向)位移約束。x、y,z軸方向見圖1.
3.3計算荷載與計算工況
計算荷載主要考慮作用于啟閉機的額定起重量2*500 kN、小車重量、吊具重量及金屬結構自重。額定起重量及小車均位于最不利位置。
3.4結構尺寸與材料特性
因各構件的外形尺寸難以精確測得,故按設計圖紙取用,構件的截面厚度采用現場實測的蝕余厚度。由于處于對稱位置的構件蝕余厚度不盡相同,金屬結構并非對稱結構,因而計算結果也不完全對稱。金屬結構主要構件的材料為Q235鋼,彈性模量E=2.06*105 MPa,泊松比μ= 0.3,容重ν=78.5 kN/時。
4結構變形計算結果與分析
圖2為啟閉機金屬結構在計算荷載下放大比例系數為250倍的結構變形圖。比較金屬結構變形前后的圖形可以看到,金屬結構在荷載作用下呈明顯的整體性。主梁在:方向隨同支腿發生了位移,同時自身也產生了彎曲變形,懸臂端上凸,而跨中部分下凸。支腿向外彎曲,同時發生了壓縮。上橫梁、中橫梁、下橫梁與主梁、支腿剛性連接,因而也產生了不同程度的壓彎變形。從金屬結構的變形形狀可以初步分析金屬結構的受力狀況和應力分布情況:(1)主梁下翼緣懸臂端受壓,跨中部分受拉;(2)支腿在承受壓應力作用的同時,還在主框架平面內受到彎矩作用,在兩者的共同作用下成為偏心壓彎構件。
根據DIJT5167-2002《水利水電工程啟閉機設計規范》要求,啟閉機應進行剛度復核。主要驗算主梁的撓度,規定當啟閉機工作級別為Ql級時,主梁的最大撓度與計算跨度的比值不應超過1/700。
5.1強度評判標準
(1)許用應力 許用應力與鋼材的厚度直接相關,例中金屬結構各構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,其許用應力為[б]=160 MPa,[τ]=95 MPa。
金屬結構所用鋼板經多年時效和腐蝕后,力學性質會發生一定程度的變化,屈服強度有所降低。根據SL226-1998 《水利水電工程金屬結構報廢標準》規定,對在役啟閉機進行結構強度驗算時,材料的許用應力應按使用年限進行修正,許用應力應乘以0.90-0.95的使用年限修正系數。修正后構件材料的許用應力為[б]=144 MPa,[τ]= 85.5MPa。
(2)評判標準啟閉機金屬結構構件在受拉、壓、彎、扭情況下,應校核正應力。和剪應力:,校核公式為:б≤[б],τ≤[τ]
當構件在同一計算部位有較大正應力、剪應力和局部壓應力時,除校核正應力和剪應力外,還應校核折算應力бzh,校核公式為
бzh≤1.1[б]
式中[б]-調整后的許用正應力
[τ]-調整后的許用剪應力
5.2計算結果與分析
(1)主梁 主梁是由上、下翼緣及腹板組成的箱形結構。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)正應力бx 、橫向(z向)正應力бz ,剪應力r及折算應力бzh的等值線圖。
由計算結果可知主梁的軸向正應力бx的分布與二型結構按平面體系計算的結果相吻合。主梁在跨中部分的應力較大,而在懸臂端的應力則相對較小,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部分的應力對比可以看出,啟閉機的外荷載在主梁的應力中起主要作用。在小車車輪作用處,主梁除有彎曲正應力外,還有較大的局部壓應力,因而也造成該處有較大的折算應力,此壓應力以較快的速度沿軸向遞減。主梁腹板在跨中處的剪應力并不為零,這是因為剪應力中含有扭轉應力。產生扭轉的主要原因是上橫梁與主梁剛性連接,相當于在主梁端部施加了扭矩。
在計算荷載下,主梁軸線方向的最大正應力бs為-29.9MPa,橫向最大正應力бz為-80.3MPa,最大剪應力τ為50.2MPa,最大折算應力,бzh為126.5 MPa,均小于材料的應力許用值,主梁強度滿足要求。
(2)支腿 支腿是整個結構的主要承壓構件,同時受到主框架平面和側框架平面內的彎矩作用,是一偏心受壓柱。支腿截面為箱型,其最大應力出現在翼緣上。由圖3中支腿外腹板軸向(z向)應力等值線看出,支腿應力由外向內、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。在計算荷載下,支腿最大軸向應力бz為-28.6 MPa,最大橫向正應力бx為-6.1 MPa,最大剪應力τ為10.3 MPa,最大折算應力бzh為31.1MPa,均小于材料的應力許用值,支腿強度滿足要求。
(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,構成框架共同承受外荷載的作用,同時下橫梁還承受著上部結構的重量。在計算荷載下,上橫梁、中橫梁、下橫梁的最大應力列于表1。由計算結果可知,上橫梁、中橫梁各截面的應力分布基本相同,橫向應力和剪應力很小,軸向應力相對較大,說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,由于要承擔支腿傳遞的作用力而產生了較大的局部壓應力,使該處成為了下主梁的應力控制部位。由表1中數據可知,上橫梁、中橫梁、下橫梁的應力均小于材料的應力許用值,強度滿足要求。
6結語
(1)在建立了啟閉機金屬結構三維有限元模型并計算之后,可以得到金屬結構各構件在荷載作用下的變形和應力分布情況。
(2)對啟閉機金屬結構各構件進行校核時應選擇恰當的標準。計算結果表明:在計算荷載下,本例中啟閉機的主梁撓度值小于規范規定的許用值,構件的應力也均小于其應力許用值,即啟閉機金屬結構的剛度、強度均滿足要求。
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