某水電站地下廠房滑輪組結構梁有限元分析與優化改進

2013-08-08 by:廣州CAE有限元應用中心來源:仿真在線

某水電站地下廠房天錨上滑輪組部件為首次設計,主要用于起吊我國某大型水電站配套的大噸位橋機主小車及相關設備,以及設備的檢修維護,是十分重要承載部件之一,因此需要確定該部件整體及錨桿、網格狀斜拉角鋼等主要件的應力水平及應力分布。由于該部件中天錨支座、天錨、網狀斜拉角鋼組成了高次超靜定結構,手工計算非常復雜,且精度難以保證。

這里選用有限元分析程序MSC.Marc對該結構進行有限元計算分析,并且根據分析結果,對原設計結構中應力較高的錨桿和網狀角鋼進行多種連接方式的優化分析,最終確定出最合理的結構,使改進結構的強度有明顯增強,剛度也有較大改進,結構更加安全穩定,完全符合相關的標準要求。同時也為今后同類型結構的設計校核、結構優化提供有益的借鑒。

一、力學模型的建立

某水電站地下廠房天錨上滑輪組結構梁如圖1所示,主要由預留錨桿、斜拉角鋼、上滑輪組結構梁和天錨支座組成。其中,支座結構為縱向梁和橫向梁結構,錨桿一端深入洞頂壁固定,一端穿過縱橫向梁的交叉點與梁的上、下蓋板和腹板焊接。支座上方用角鋼沿縱橫方向斜拉,并與支座錨桿用節點板進行焊接。

分析中為了提高計算精度,對由錨桿和斜拉角鋼組成的網狀桁架結構采用梁單元來模擬,梁單元的等效截面特性與實際中的錨桿和角鋼的截面特性相同,天錨支座用3DQUAD(4)為主、TRIA(3)為輔的板殼單元建立,整體力學等效模型如圖2所示。

計算參數為:節點總數37782個;單元總數37984個。

二、施加邊界約束條件及載荷工況的確定

滑輪組結構梁主要承受的載荷如下。

(1)起重載荷、吊具重和鋼絲繩重量方向豎直向下,作用在上滑輪組結構梁處。

(2)卷揚機鋼絲繩拉力沿水平方向作用在上滑輪組結構梁處。根據實際工況,錨桿一端深入洞頂壁中固定,所以約束錨桿與洞頂壁相接部分的6個位移自由度。

三、計算結果及分析

計算結果如圖3所示,其中,VONMISES等效應力是按第四

強度理論確定的。σ1、σ2、σ3為主應力,且有σ1>σ2>σ3,則。

錨桿及網狀斜拉角鋼的分析結果匯總。

由以上分析結果可知,工作狀態下,天錨上滑輪組結構梁整體結構下撓度為0.6039mm,天錨支座最大VONMISES等效應力為158.2MPa,發生在與正中間錨桿連接的筋板處。該結構中錨桿和斜拉角鋼是典型的拉伸(壓縮)和彎曲組合變形,由分析結果表1可知,序號為B的錨桿受到最大的應力為264.6MPa,序號D的錨桿其次,受到的最大應力為248.6MPa,其余分析的錨桿最大應力均為150MPa以上。選擇分析的無錨桿處的四個角鋼受到的應力均超過了175MPa,其中受力最大的是序號為B(角鋼排列序號見圖5)的連接角鋼,最大應力為232.9MPa,其次為序號為A的角鋼,受到的最大應力為226.4MPa。受力較大錨桿和網狀角鋼所受最大應力均接近材料本身的屈服極限,安全系數較低,所以需要對此結構進行優化改進。

四、改進結構的計算結果及分析

由于受力較大的錨桿和角鋼均接近其許用應力,所以考慮該結構的實際情況,對該結構進行改進,在角鋼A、B、C、D處增加四根錨桿,用角鋼重新連接,通過對6種不同的角鋼連接方式分別進行優化分析對比,最終選出最優化的結構,建立新的有限元分析模型如圖6所示,施加與原結構相同的邊界條件及載荷工況,然后進行有限元計算,求出結果后與原結構進行對比分析。

進結構有限元分析結果表進行對比,其中選取分析的錨桿編號,選取分析的角鋼編號。

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