行車鋼梁懸掛加載強度分析

□ 周 波 □ 錢彬彬

1.長飛光纖光纜股份有限公司 武漢 4300732.光纖光纜制備技術(shù)國家重點實驗室 武漢 4300733.沈陽新松機器人自動化股份有限公司 沈陽 110168

1 分析背景

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科技的進步,我國將迎來智能制造時代,中國制造2025將引領(lǐng)傳統(tǒng)制造行業(yè)向智能制造轉(zhuǎn)變,國內(nèi)的智能工廠進入發(fā)展的新高潮。長飛公司為提高生產(chǎn)效率,提出以現(xiàn)有車間行車鋼梁為基礎(chǔ),在下側(cè)安裝導(dǎo)軌,懸掛安裝智能設(shè)備,代替以往人工操作行車上下料方式。在項目具體落地實施前,需進行行車鋼梁強度、結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性等多方面綜合驗算與分析。筆者對實際工況進行合理簡化及建模,采用有限元法進行仿真計算[1-3],為項目的安全實施提供技術(shù)參考。

2 受力分析

行車鋼梁基建時,坐落在土建支撐臺上。鋼梁通過下翼緣板焊接夾板,并與土建支撐臺采用螺栓連接,如圖1所示。單根鋼梁長8.1 m,鋼梁橫截面尺寸如圖2所示[4]。

▲圖1 行車鋼梁固定形式

智能設(shè)備重力載荷為68.42 kN,外形尺寸如圖3所示。智能設(shè)備由四角位置安裝的滑輪A、B、C、D坐落在行車鋼梁下掛的導(dǎo)軌上。鋼梁材料為Q235B鋼,質(zhì)量約0.95 t。行車自身重力載荷為17 kN。四個滑輪的受力載荷見表1。

▲圖2 行車鋼梁橫截面尺寸

表1 滑輪受力載荷 N

行車運行在行車鋼梁上,與智能設(shè)備不同步運行,因此分析時不考慮行車的動載荷,也不考慮行車的起重負載。智能設(shè)備質(zhì)心偏移,導(dǎo)致兩側(cè)導(dǎo)軌上滑輪的受力載荷不同。依據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[5]要求,變形載荷僅考慮滑輪A、B側(cè)導(dǎo)軌受力,強度載荷同時考慮雙側(cè)導(dǎo)軌受力,計算得到分析載荷,見表2。

▲圖3 智能設(shè)備外形尺寸

表2 分析載荷 N

行車鋼梁強度分析、變形分析時對載荷的處理方式有差異,設(shè)備帶負載運行時載荷需要特殊處理,因此僅對危險狀態(tài)的載荷進行計算。為考慮最大加減速驅(qū)動力,認為所有工況均為智能設(shè)備運行急停工況。

3 有限元建模

3.1 模型簡化

建立行車鋼梁有限元模型,如圖4所示。將鋼梁作為主要分析對象,對與其相關(guān)聯(lián)的懸掛機構(gòu)做合理簡化,其余相關(guān)構(gòu)件均以負載形式加載于與懸掛機構(gòu)相連的導(dǎo)軌上。在鋼梁的機械性能中,彈性模量為210 GPa,泊松比為0.274,整體屈服強度為235 MPa,角焊縫處屈服強度為160 MPa。

▲圖4 行車鋼梁有限元模型

對有限元模型中的焊縫、螺栓、導(dǎo)軌進行局部簡化,如圖5所示。將懸掛機構(gòu)與行車鋼梁下翼緣板連接處的壓板螺栓簡化為多點約束剛性單元,連接六個自由度。對焊縫進行簡化,在每個焊縫處按焊縫寬度創(chuàng)建單元。鋼梁細長比大,建模時選擇殼單元。導(dǎo)軌部分則采用梁單元[6-11]。

▲圖5 有限元模型局部簡化

3.2 邊界條件

實際工況中,僅行車鋼梁下翼緣板與土建支撐臺通過螺栓連接,上翼緣板通過連接筋板與預(yù)埋墻體螺栓連接。鋼梁端部約束如圖6所示。針對智能設(shè)備在鋼梁端部、鋼梁跨中、鋼梁與土建支撐臺拼接處三種典型位置,進行鋼梁本體及懸掛機構(gòu)的強度變形分析,載荷加載位置如圖7所示。

▲圖6 行車鋼梁端部約束

▲圖7 載荷加載位置

4 變形分析

應(yīng)用HyperMesh軟件,對行車鋼梁進行變形及強度分析。

變形分析考慮行車鋼梁正常使用狀態(tài)下的變形,因此不考慮修正因數(shù),加載計算得到的分析載荷。

鋼梁變形圖如圖8所示。智能設(shè)備位于鋼梁端部時,導(dǎo)軌的最大側(cè)向位移為38 mm,位于鋼梁端部正下方的導(dǎo)軌端部。智能設(shè)備位于鋼梁跨中時,導(dǎo)軌的最大側(cè)向位移為30.7 mm,位于鋼梁跨中正下方的導(dǎo)軌中部。智能設(shè)備位于鋼梁與土建支撐臺拼接處,導(dǎo)軌的最大側(cè)向位移為28.6 mm,位于拼接處正下方的導(dǎo)軌部位。由分析可見,各種工況下鋼梁下翼緣板受扭變形量過大。

▲圖8 行車鋼梁整體變形

行車鋼梁下翼緣板的抗扭剛度較低,導(dǎo)致下翼緣板明顯扭曲變形,如圖9所示。側(cè)向位移過大,會導(dǎo)致智能設(shè)備中滑輪產(chǎn)生側(cè)壓,對鋼梁產(chǎn)生側(cè)向扭轉(zhuǎn)。由分析可知,鋼梁筋板僅與上翼緣板、腹板焊接,并沒有與下翼緣板焊接,導(dǎo)致鋼梁下翼緣板抗扭性能差。

▲圖9 行車鋼梁下翼緣板扭曲變形

5 強度分析

由變形分析可知,導(dǎo)軌的水平位移較大,此位移由行車鋼梁下翼緣板扭曲引起。懸掛機構(gòu)僅為剛體位移較大,變形并不大。鋼梁應(yīng)力較大的區(qū)域一般為鋼梁腹板下部和下翼緣板。

鋼梁端部應(yīng)力云圖如圖10所示。鋼梁長度方向僅有一側(cè)固定支撐,最大應(yīng)力為515 MPa,位于鋼梁筋板底部。此處結(jié)構(gòu)存在突變,應(yīng)力為虛假應(yīng)力,真實應(yīng)力應(yīng)為350 MPa,而腹板與下翼緣板焊縫處的應(yīng)力一般為210 MPa。

▲圖10 行車鋼梁端部應(yīng)力云圖

鋼梁腹板下部應(yīng)力云圖如圖11所示,最大應(yīng)力值為394 MPa,產(chǎn)生于鋼梁腹板下部,且為虛假應(yīng)力。鋼梁整體真實應(yīng)力為260 MPa,腹板與下翼緣板的焊縫處應(yīng)力為48 MPa。

▲圖11 行車鋼梁腹板下部應(yīng)力云圖

鋼梁下翼緣板應(yīng)力云圖如圖12所示。最大應(yīng)力值為393 MPa,位于鋼梁筋板底部,亦為突變處虛假應(yīng)力。鋼梁整體真實應(yīng)力為267 MPa,腹板與下翼緣板的焊縫處應(yīng)力為58 MPa。由于下翼緣板扭曲變形,導(dǎo)致鋼梁腹板的應(yīng)力較大。

▲圖12 行車鋼梁下翼緣板應(yīng)力云圖

6 結(jié)束語

筆者對長飛公司車間內(nèi)行車鋼梁下側(cè)懸掛安裝智能設(shè)備方案進行變形和強度分析。

行車鋼梁加載后,導(dǎo)軌側(cè)向變形最小為28.6 mm,最大為38 mm,下翼緣板扭曲變形均較大,將導(dǎo)致滑輪與導(dǎo)軌產(chǎn)生側(cè)向壓力。

行車鋼梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)存在突變位置,應(yīng)力值為虛假應(yīng)力,不予參考。外圍應(yīng)力最大值為350 MPa,已超出鋼梁本體的屈服極限。

焊縫處最大應(yīng)力位于行車鋼梁腹板與下翼緣板處,最大應(yīng)力值為210 MPa,超過鋼梁角焊縫許可應(yīng)力值(160 MPa)。

智能設(shè)備停留在行車鋼梁端部時,腹板及焊縫所受應(yīng)力最大。停留在鋼梁跨中時,應(yīng)力相對最小,變形相對較大。

通過分析可知,若在現(xiàn)有的行車鋼梁下翼緣板上直接進行智能設(shè)備懸掛安裝,則由于筋板較短且未直接與下翼緣板焊接相連,會導(dǎo)致滑輪與導(dǎo)軌存在側(cè)向壓力,對鋼梁本體產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩,使整個鋼梁的變形及應(yīng)力均處于較高水平。筆者所做分析對行車實際項目改造具有技術(shù)參考價值。