某水電站地下廠房滑輪組結(jié)構(gòu)梁有限元分析與優(yōu)化改進(jìn)

2013-08-08 by:廣州CAE有限元應(yīng)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(shè)計(jì),主要用于起吊我國某大型水電站配套的大噸位橋機(jī)主小車及相關(guān)設(shè)備,以及設(shè)備的檢修維護(hù),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(wǎng)格狀斜拉角鋼等主要件的應(yīng)力水平及應(yīng)力分布。由于該部件中天錨支座、天錨、網(wǎng)狀斜拉角鋼組成了高次超靜定結(jié)構(gòu),手工計(jì)算非常復(fù)雜,且精度難以保證。

這里選用有限元分析程序MSC.Marc對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算分析,并且根據(jù)分析結(jié)果,對(duì)原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中應(yīng)力較高的錨桿和網(wǎng)狀角鋼進(jìn)行多種連接方式的優(yōu)化分析,最終確定出最合理的結(jié)構(gòu),使改進(jìn)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度有明顯增強(qiáng),剛度也有較大改進(jìn),結(jié)構(gòu)更加安全穩(wěn)定,完全符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)也為今后同類型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)校核、結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供有益的借鑒。

一、力學(xué)模型的建立

某水電站地下廠房天錨上滑輪組結(jié)構(gòu)梁如圖1所示,主要由預(yù)留錨桿、斜拉角鋼、上滑輪組結(jié)構(gòu)梁和天錨支座組成。其中,支座結(jié)構(gòu)為縱向梁和橫向梁結(jié)構(gòu),錨桿一端深入洞頂壁固定,一端穿過縱橫向梁的交叉點(diǎn)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(jié)點(diǎn)板進(jìn)行焊接。

分析中為了提高計(jì)算精度,對(duì)由錨桿和斜拉角鋼組成的網(wǎng)狀桁架結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧獊砟M,梁?jiǎn)卧牡刃Ы孛嫣匦耘c實(shí)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(xué)等效模型如圖2所示。

計(jì)算參數(shù)為:節(jié)點(diǎn)總數(shù)37782個(gè);單元總數(shù)37984個(gè)。

二、施加邊界約束條件及載荷工況的確定

滑輪組結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)梁處。

(2)卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩拉力沿水平方向作用在上滑輪組結(jié)構(gòu)梁處。根據(jù)實(shí)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(gè)位移自由度。

三、計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算結(jié)果如圖3所示,其中,VONMISES等效應(yīng)力是按第四

強(qiáng)度理論確定的。σ1、σ2、σ3為主應(yīng)力,且有σ1>σ2>σ3,則。

錨桿及網(wǎng)狀斜拉角鋼的分析結(jié)果匯總。

由以上分析結(jié)果可知,工作狀態(tài)下,天錨上滑輪組結(jié)構(gòu)梁整體結(jié)構(gòu)下?lián)隙葹?.6039mm,天錨支座最大VONMISES等效應(yīng)力為158.2MPa,發(fā)生在與正中間錨桿連接的筋板處。該結(jié)構(gòu)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(jié)果表1可知,序號(hào)為B的錨桿受到最大的應(yīng)力為264.6MPa,序號(hào)D的錨桿其次,受到的最大應(yīng)力為248.6MPa,其余分析的錨桿最大應(yīng)力均為150MPa以上。選擇分析的無錨桿處的四個(gè)角鋼受到的應(yīng)力均超過了175MPa,其中受力最大的是序號(hào)為B(角鋼排列序號(hào)見圖5)的連接角鋼,最大應(yīng)力為232.9MPa,其次為序號(hào)為A的角鋼,受到的最大應(yīng)力為226.4MPa。受力較大錨桿和網(wǎng)狀角鋼所受最大應(yīng)力均接近材料本身的屈服極限,安全系數(shù)較低,所以需要對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

四、改進(jìn)結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果及分析

由于受力較大的錨桿和角鋼均接近其許用應(yīng)力,所以考慮該結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況,對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),在角鋼A、B、C、D處增加四根錨桿,用角鋼重新連接,通過對(duì)6種不同的角鋼連接方式分別進(jìn)行優(yōu)化分析對(duì)比,最終選出最優(yōu)化的結(jié)構(gòu),建立新的有限元分析模型如圖6所示,施加與原結(jié)構(gòu)相同的邊界條件及載荷工況,然后進(jìn)行有限元計(jì)算,求出結(jié)果后與原結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。

進(jìn)結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果表進(jìn)行對(duì)比,其中選取分析的錨桿編號(hào),選取分析的角鋼編號(hào)。

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