基于ANSYS的錨定支架力學性能研究

劉國東， 胡宗軍

(合肥工業大學 土木與水利工程學院， 安徽 合肥 230009)

纜索起重機在水電工程中應用廣泛，主要應用于大型混凝土壩的混凝土澆筑作業、機械設備和鋼結構的安裝，尤其適用于高山峽谷中的混凝土高壩施工。

纜索起重機按其工作性質不同分為5個基本組成部分，即承載索、工作平臺、小車、塔架和錨定支架，而錨定支架是纜索起重機地面部分的主要承力構件，直接影響著纜索起重機的起重性能和施工安全。

1 結構與有限元模型

錨定支架是連接纜索起重機與地面的結構，是纜索的承力構件。LQ2000/200kN型纜索起重機的錨碇支架結構主要由承力帶、承力架、滑道機房墻架、屋檁架及屋檁板、JM28M型卷揚機機座架及鋪板、8t起升卷揚機機座架及鋪板和導向輪架組成。承力架上橫梁、承力架中縱梁和屋檁架中縱梁均為工字型截面，尺寸，材質Q345-b。屋檁架和機座滿鋪鋼板，其中屋檁板厚度為10mm，JM28M型卷揚機機座鋪板和8t起升卷揚機機座鋪板厚度均為6mm，鋪板材質均為Q345-b鋼。錨碇架結構中槽鋼為，，材質為Q345-b。結構模型如圖1所示。

利用ANSYS軟件按照結構圖紙建立錨定支架的有限元模型。有限元模型中各個構件的幾何拓撲關系、截面和材料屬性按照CAD圖紙建立，鋼材的彈性模量取E=2.10×1011Pa,泊松比取μ=0.3，考慮到連接件重量，鋼材密度取ρ=8.2×103kg/m3(增加5%重量)，重力加速度取-9.8m/s2，錨定支架采用beam188梁單元模擬，承力帶、屋檁板、鋪板用shell181殼單元進行模擬。beam188梁單元與shell181殼單元之間剛性連接，在劃分網格時使其共用節點，在節點處有相同的自由度。全結構共劃分為8950個單元，12845個節點。有限元模型如圖2所示。

圖1 錨定結構圖 圖2錨定支架有限元圖

2 強度剛度分析

2.1 錨定支架荷載

除重力荷載之外，錨定支架承受的荷載有3類:T1為背索拉力，作用于承力帶主索錨輪上，T1=300t，與水平面夾角28.814°。T2為JM28M牽引卷揚機作用力，T2=36t。T3為8t起升卷揚機作用力T3=8t。

2.2 邊界條件

圖3 錨定支架荷載

以8t起升卷揚機機座架橫梁長度方向為X軸，豎直方向為Y軸建立直角坐標系。由于錨定支架下部通過預埋件固定在混凝土上，所以對錨定支架下部X、Y、Z方向進行約束，承力帶下部由滑橇導軌固定在混凝土上，對承力帶下部X、Y、Z方向全約束，約束如圖3所示。

2.3 剛度分析

剛度是指材料或結構在受力時抵抗彈性變形的能力。在工程上，有些機械、橋梁、建筑物、飛行器和艦船就因為結構剛度不夠而出現失穩，或在流場中發生顫振等災難性事故，因此在工程中，必須要確保結構有足夠的剛度。通過有限元分析，錨定支架的位移場如圖4-圖7所示。

圖4 X方向位移圖5 Y方向位移

圖6 Z方向位移 圖7 總位移

由于在X方向上受一個水平分力，錨定支架在X方向的最大位移為3.06mm，Y方向的最大位移為0.71mm，Z方向最大位移為0.69mm，總的最大位移為3.08mm，小于允許位移17.1mm，所以錨定支架結構滿足剛度要求。

2.4 強度分析

施加荷載,經過有限元計算，所得整體及各個構件的Mises應力云紋圖如圖8～圖17所示。各個構件的最大應力及最大應力位置如表1所列。

圖8整體Mises應力圖9機械房Mises應力圖10 8t起升卷揚機機座Mises應力

圖11 JM28M型卷揚機底座Mises應力圖12屋檁架Mises應力圖13墻架Mises應力

圖14承力連接架Mises應力圖15導向輪架Mises應力圖16承力帶Mises應力圖17承力帶局部Mises應力

表1 最大應力分布表

由表1可見，卷揚機底座處的受力較小，在40MPa以下，墻架受力較大的點出現在斜桿處為101MPa，豎桿處受力較小，由于導向輪架上沒有直接作用力，所以受力最小，在30MPa以下，承力帶上有直接作用力，在承力帶焊接版中間受力最大為278MPa，小于承力帶Q345鋼的許用應力290MPa，所以錨定支架強度滿足要求。

3 結論

應用ANSYS軟件建立錨定支架有限元模型，對錨定支架進行力學析，獲得整體以及局部結構位移場和應力場，計算結果分析表明：

(1)錨定支架。其位移較小，遠小于許用位移，剛度滿足要求。

(2)靜應力分布規律。錨定支架下部豎桿以及橫桿受力比較小，材料力學性能有很大的余量，高應力區出現在屋檁架左側橫梁處以及承力帶焊接版中間，應力最高達到278MPa，接近材料許用應力290MPa，建議結構修改，將其換成箱型梁或者加厚翼緣厚度。

[參 考 文 獻]

[1] 宋振華.纜索起重機靜動態特性研究[D].西南交通大學,2012.

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