變截面鋼車梁結構的應力應變數值模擬研究

倪潮 (武漢輕工大學電氣與電子工程學院,湖北武漢 430023)

變截面鋼車梁結構的應力應變數值模擬研究

倪潮 (武漢輕工大學電氣與電子工程學院,湖北武漢 430023)

隨著鋼鐵行業的迅速發展,對鋼吊車梁結構的性能要求也越來越高,保證變截面鋼吊車梁的安全使用是鋼鐵生產中的重要工作。通過有限元分析軟件對某鋼廠36m跨度的梯形變截面鋼吊車梁進行靜態特性分析,得到吊車分別位于吊車梁的跨中位置和端部位置下2種不同工況下變截面鋼吊車梁結構的應力應變分布規律,分析結果表明,2種工況下鋼吊車梁的最大平均應力是114.691 MPa,應力最大豎向撓度為19.414mm(L/1854),從應力云圖可以看出,在吊車梁的梯形變截面端部位置有很大的應力集中,在循環荷載往復作用下成為破壞的薄弱點?？梢钥紤]在上翼緣加焊鋼板的方法,提高被加固構件的承載能力。為變截面鋼車梁的設計運行提供了準確的理論依據。

力應變;鋼車梁;應力集中;有限元分析;數值模擬

近年來,隨著國民經濟持續發展,生產科技不斷進步,現階段煉鐵生產能力正逐步加大,經過近20年的發展,鋼鐵工業在國家經濟水平和綜合國力上地位更加顯著,逐漸成長為我國國民經濟的重要基礎產業。數據顯示,從1978年至2007年短短29年中,我國鋼鐵需求量由3717×104t增長到4.89×108t,并不斷呈現出上升趨勢。同時,大量數據也表明,大部分由鋼鐵作為支撐的工業建筑都已經超過或接近設計使用年限,其中使用期超過30年的工業建筑約為7.1×108m2,占到我國工業建筑總量的35.5%以上。伴隨著生產力的進一步發展,廠房結構所承擔的生產載荷也日趨多樣化,更加加劇了直接承擔吊車載荷的鋼吊車梁的破壞程度,導致大部分鋼結構吊車梁在遠未達到設計使用年限時便出現了裂縫甚至斷裂現象,統計表明其中50%～90%都源自于疲勞破壞[1-2]。因此,為確保各項生產的安全進行,亟需對接近設計使用年限的工業廠房進行鑒定、加固和改造。廠房中的變截面鋼吊車梁在其頻繁的使用過程中,均出現了不同程度的疲勞裂縫最終導致突然斷裂,嚴重危害生產安全。在鋼鐵行業的各大廠房中,變截面鋼吊車梁的存在顯得尤為重要,它是運輸鋼包、起吊鋼材及廠房維修等的必需設備。因此,保證變截面鋼吊車梁的安全使用是鋼鐵生產中的重要工作。下面,筆者通過對承受大載荷的梯形變截面鋼吊車梁應力應變分布規律進行了研究,提出了針對易產生斷裂部位的維護加固策略,保證變截面鋼吊車梁的安全運行。

1 吊車梁結構的CAE模型

表1 Q345的機械性能

梯形變截面鋼吊車梁結構為焊接工字形吊車梁,由上、下翼緣和腹板及加勁肋構成,雖然都為鋼板材料,可是尺寸各不相同。吊車梁上翼緣寬度為750mm,下翼緣寬度為600mm,厚度均為30mm,腹板、橫向加勁肋和豎向加勁肋厚度分別為18、14和12mm。鋼板的材料為Q345,各向同性材料,材料的彈性模量E=2.1×105MPa,泊松比μ=0.3,由于后面計算中要考慮吊車梁的自重,所以設定密度ρ= 7.85×10-9t/mm3。Q345的機械性能如表1所示。

三維模型建立過程中,為了提高計算精確性,根據上述吊車梁結構的實際設計與加工尺寸建立準確的1∶1模型,同時可以忽略相對較小且不影響計算結果的細微結構。建立CAE模型時要將三維制圖軟件PRO/E建立的模型文件轉存為IGES的格式導入到Ansys中進行網格劃分。為了后期有限元計算準確順利地進行,首先要建立統一的單位制,PRO/E建模選取的單位制為mm-N-s,則Ansys結構分析中采用t-mm-s單位制。圖1所示為梯形變截面鋼吊車梁結構平面示意圖,直角坐標系的坐標原點設在吊車梁的下翼緣中心位置。圖2為完整的梯形變截面鋼吊車梁的PRO/E三維模型。圖3所示為吊車梁在Ansys中的網格劃分,離散為73955個Solid186單元。

圖1 吊車梁結構平面示意圖

圖2 吊車梁結構三維模型

圖3 局部網格劃分放大圖

2 參數的基本設置與載荷施加

實際工況中,36m跨度梯形變截面鋼吊車梁支承的吊車總寬度為28m,共計8個輪子,一側吊車梁所承擔的4個輪子中前后輪距總長為7800mm,2個前輪中心距到2個后輪中心距的距離為6000mm,計算時每個輪的最大輪壓值為272k N,輪壓分布情況如圖4所示[3-4]。

根據吊車梁的實際工作狀況和結構力學,確定吊車分別位于吊車梁的跨中位置和端部位置下的2種計算工況,并計算出這2種工況下施加載荷的準確位置,通過在車輪和吊車梁接觸點處施加輪壓值來完成加載。根據吊車載重在吊車梁上行進的過程以及《鋼結構設計規范》(GB50017-2003)可知,彎矩最大時,吊車并不是完全位于吊車梁中央,而是會有一個確切產生最大彎矩的位置。根據結構力學,簡支梁在任意排列的一組集中荷載作用下所產生的最大彎矩可按合力作用線與最近一個集中荷載間的距離被梁跨中線平分的原則確定,與合力最近的集中荷載所在的位置為最大彎矩所在截面,由該截面的彎矩影響線即可確定吊車豎向輪壓產生的最大豎向彎矩。當吊車位于如圖5所示的位置時,最大彎矩點為C點,即最大彎矩計算工況。圖6為吊車梁位于端部位置的計算工況。

4個輪子作用于梁上時,最大彎矩點(C)的位置為:

圖4 輪壓分布圖

圖5 吊車位于跨中位置附近

圖6 吊車位于端部位置

式中,Mcmax為最大彎矩;l為吊車梁結構的跨度;P為吊車車輪對軌道的輪壓,施加集中載荷;a為合力作用點距離A端的距離。

工況1:吊車位于吊車梁如圖5所示位置,整個吊車梁長為36m,吊車合力作用點距離一端:a= 19.275m,b=16.725m。工況2:吊車位于吊車梁如圖6所示位置,吊車合力作用點距離一端:a= 3.45m,b=32.55m。在上述確定的2種加載位置車輪與吊車梁的接觸處15個節點上施加鉛垂方向向下的載荷,每個節點的載荷值為18133N。在上述2種加載情況下,吊車梁結構有限元模型的單元類型、邊界條件和網格劃分均相同,只是鉛垂方向的載荷的作用位置不同。由于吊車的自重影響很大不可忽略,所以計算要同時加載重力加速度。將梯形變截面鋼吊車梁結構簡化為簡支梁進行受力分析,所以約束邊界條件設置為在吊車梁左側施加全約束載荷,仿照實際條件保持計算模型的穩定性;在吊車梁右端施加Y、Z方向約束載荷。

在建立有限元模型并完成參數設置和載荷施加之后,對2種計算工況分別進行求解,具體求解操作步驟如下[5]:

1)指定分析類型Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞New analysis,選擇Static;

2)選擇單元類型并定義材料屬性Main Menu＞Preprocessor＞Element Type和＞Material Props;

3)網格劃分Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Mesh Tool;

4)施加約束和載荷Main Menu＞Solution＞Define Loads;

5)然后進行求解Main Menu＞Solution＞Solve＞Current LS。

3 仿真結果與分析

為了對36m跨度梯形變截面鋼吊車梁結構的強度評估提供參考,故需對吊車梁結構進行靜態分析,求解受載后的應力應變[6-8]。

1)吊車位于吊車梁跨中位置附近。圖7是梯形變截面鋼吊車梁結構鉛垂方向(Y方向)變形圖,吊車梁的最大撓度為15.6004mm。圖8是吊車梁結構的Von Mises等效應力分布圖,圖9是變截面處Von Mises等效應力云圖。從圖7和圖8可以看出,這種吊車位于吊車梁跨中位置附近的工況,吊車梁鋼結構受力和變形的分布較為均勻,且最大應力在材料可承受范圍內,有較大富裕,能夠滿足該工況的要求,但從圖9可以看出梯形截面突變處應力集中嚴重,在吊車的反復工作中,交變載荷的作用易導致該處疲勞裂紋的產生,最終造成破環,其最大撓度相對于整體尺寸來說較小,即變形量很小,在可控范圍內。

圖7 吊車梁結構鉛垂方向(Y方向)變形圖

圖8 吊車梁結構的Von Mises等效應力分布圖

2)吊車位于吊車梁端部位置。圖10是梯形變截面鋼吊車梁結構鉛垂方向(Y方向)變形圖,吊車梁的最大撓度為3.4845mm。圖11是吊車梁結構的Von Mises等效應力分布圖,圖12是變截面突變處Von Mises等效應力云圖。從圖10和圖11可以看出,在這種工況下鋼結構的受力和變形比跨中位置的受力和變形更小,但圖12表明在梯形截面突變處仍然存在應力集中,這就說明在吊車的整個運行過程中都存在該應力集中問題,這是一個普遍的問題,可以考慮加焊鋼板的方法來提高吊車梁的截面剛度,避免應力集中對吊車梁造成疲勞破壞,提高吊車梁的使用壽命。

圖9 梯形變截面處局部Von Mises等效應力云圖

圖10 吊車梁結構鉛垂方向(Y方向)變形圖

圖11 吊車梁結構的Von Mises等效應力分布圖

圖12梯形變截面處局部Von Mises等效應力云圖

4 結語

對梯形變截面鋼吊車梁結構在2種工況下的靜態分析結果表明,該吊車梁尺寸和結構合理,滿足設計基本要求。從應力云圖可以看出,在吊車梁的梯形變截面端部位置有很大的應力集中,在循環荷載往復作用下成為疲勞破壞的薄弱點,因此在翼緣彎折處極易因疲勞而造成開裂。考慮在上翼緣加焊鋼板的方法,還可以增大截面剛度,提高被加固構件的承載能力,為變截面鋼車梁的設計運行提供了準確的理論依據。

[1]汪一駿,顧泰昌,馮東.鋼結構設計手冊(上冊)[M].第3版.北京:中國建筑工業出版社,2004.

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[8]陳炯,路志浩,徐峰,等.變截面吊車梁圓弧式和直角式突變支座的受力性能分析[J].結構工程師,2010,26(1):22-27.

[編輯]洪云飛

TU391;TU311

A

1673-1409(2014)19-0062-04

2014-02-07

倪潮(1992-),男,現主要從事自動化方面的學習工作。