搜索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 來源:仿真在線
金屬結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jù)SL101-1994《水工鋼閘門和啟閉機安全檢測技術(shù)規(guī)程》的要求,應(yīng)對啟閉機金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)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(biāo)。有些啟閉機金屬結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)理論,所建立的模型能反映啟閉機金屬結(jié)構(gòu)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(fā)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(jìn)行原形應(yīng)力和變形檢測的情況下,采用ALGOR軟件對啟閉機金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維有限元計算,并對如何利用計算結(jié)果判別其剛度和強度作了詳細(xì)的研究,為啟閉機的安全評估提供了依據(jù)。
2概況
某水庫工程由1座主壩和3座副壩組成,在壩上設(shè)2個放水底孔、9個溢洪道、1個輸水洞、2個電站進(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雙向啟閉機操作,啟閉機工作級別為Ql級。
啟閉機的金屬結(jié)構(gòu)是由3個相互垂直、各節(jié)點假設(shè)為剛性連接的框架(即主框架、側(cè)框架和平臺框架)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,啟閉機所承受的荷載通過各構(gòu)件的相互傳遞來共同承擔(dān)。為真實反映金屬結(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計算模型及參數(shù)
3.1單元劃分
根據(jù)啟閉機金屬結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式和受力特點并結(jié)合構(gòu)件的形狀,將主梁的加強型鋼離散為梁單元,其余構(gòu)件離散為板單元。據(jù)此所建立的金屬結(jié)構(gòu)有限元計算模型見圖1,計算模型的節(jié)點總數(shù)為7 450個,單元總數(shù)為8 282個?？紤]到整個結(jié)構(gòu)在有限元網(wǎng)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(jié)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(jié)果的準(zhǔn)確性。
3.2約束處理
金屬結(jié)構(gòu)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(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得,故按設(shè)計圖紙取用,構(gòu)件的截面厚度采用現(xiàn)場實測的蝕余厚度。由于處于對稱位置的構(gòu)件蝕余厚度不盡相同,金屬結(jié)構(gòu)并非對稱結(jié)構(gòu),因而計算結(jié)果也不完全對稱。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。
4結(jié)構(gòu)變形計算結(jié)果與分析
圖2為啟閉機金屬結(jié)構(gòu)在計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,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設(shè)計規(guī)范》要求,啟閉機應(yīng)進(jìn)行剛度復(fù)核。主要驗算主梁的撓度,規(guī)定當(dāng)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(yīng)超過1/700。
5.1強度評判標(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)多年時效和腐蝕后,力學(xué)性質(zhì)會發(fā)生一定程度的變化,屈服強度有所降低。根據(jù)SL226-1998 《水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)報廢標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,對在役啟閉機進(jìn)行結(jié)構(gòu)強度驗算時,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)評判標(biāo)準(zhǔn)啟閉機金屬結(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)件在同一計算部位有較大正應(yīng)力、剪應(yīng)力和局部壓應(yīng)力時,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。
由計算結(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)力對比可以看出,啟閉機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,這是因為剪應(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,主梁強度滿足要求。
(2)支腿 支腿是整個結(jié)構(gòu)的主要承壓構(gòu)件,同時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,同時下橫梁還承受著上部結(jié)構(gòu)的重量。在計算荷載下,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(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,強度滿足要求。
6結(jié)語
(1)在建立了啟閉機金屬結(jié)構(gòu)三維有限元模型并計算之后,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)對啟閉機金屬結(jié)構(gòu)各構(gòu)件進(jìn)行校核時應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。計算結(jié)果表明:在計算荷載下,本例中啟閉機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,即啟閉機金屬結(jié)構(gòu)的剛度、強度均滿足要求。
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