变截面钢车梁结构的应力应变数值模拟研究

倪潮 (武汉轻工大学电气与电子工程学院,湖北武汉 430023)

变截面钢车梁结构的应力应变数值模拟研究

倪潮 (武汉轻工大学电气与电子工程学院,湖北武汉 430023)

随着钢铁行业的迅速发展,对钢吊车梁结构的性能要求也越来越高,保证变截面钢吊车梁的安全使用是钢铁生产中的重要工作。通过有限元分析软件对某钢厂36m跨度的梯形变截面钢吊车梁进行静态特性分析,得到吊车分别位于吊车梁的跨中位置和端部位置下2种不同工况下变截面钢吊车梁结构的应力应变分布规律,分析结果表明,2种工况下钢吊车梁的最大平均应力是114.691 MPa,应力最大竖向挠度为19.414mm(L/1854),从应力云图可以看出,在吊车梁的梯形变截面端部位置有很大的应力集中,在循环荷载往复作用下成为破坏的薄弱点。可以考虑在上翼缘加焊钢板的方法,提高被加固构件的承载能力。为变截面钢车梁的设计运行提供了准确的理论依据。

力应变;钢车梁;应力集中;有限元分析;数值模拟

近年来,随着国民经济持续发展,生产科技不断进步,现阶段炼铁生产能力正逐步加大,经过近20年的发展,钢铁工业在国家经济水平和综合国力上地位更加显著,逐渐成长为我国国民经济的重要基础产业。数据显示,从1978年至2007年短短29年中,我国钢铁需求量由3717×104t增长到4.89×108t,并不断呈现出上升趋势。同时,大量数据也表明,大部分由钢铁作为支撑的工业建筑都已经超过或接近设计使用年限,其中使用期超过30年的工业建筑约为7.1×108m2,占到我国工业建筑总量的35.5%以上。伴随着生产力的进一步发展,厂房结构所承担的生产载荷也日趋多样化,更加加剧了直接承担吊车载荷的钢吊车梁的破坏程度,导致大部分钢结构吊车梁在远未达到设计使用年限时便出现了裂缝甚至断裂现象,统计表明其中50%～90%都源自于疲劳破坏[1-2]。因此,为确保各项生产的安全进行,亟需对接近设计使用年限的工业厂房进行鉴定、加固和改造。厂房中的变截面钢吊车梁在其频繁的使用过程中,均出现了不同程度的疲劳裂缝最终导致突然断裂,严重危害生产安全。在钢铁行业的各大厂房中,变截面钢吊车梁的存在显得尤为重要,它是运输钢包、起吊钢材及厂房维修等的必需设备。因此,保证变截面钢吊车梁的安全使用是钢铁生产中的重要工作。下面,笔者通过对承受大载荷的梯形变截面钢吊车梁应力应变分布规律进行了研究,提出了针对易产生断裂部位的维护加固策略,保证变截面钢吊车梁的安全运行。

1 吊车梁结构的CAE模型

表1 Q345的机械性能

梯形变截面钢吊车梁结构为焊接工字形吊车梁,由上、下翼缘和腹板及加劲肋构成,虽然都为钢板材料,可是尺寸各不相同。吊车梁上翼缘宽度为750mm,下翼缘宽度为600mm,厚度均为30mm,腹板、横向加劲肋和竖向加劲肋厚度分别为18、14和12mm。钢板的材料为Q345,各向同性材料,材料的弹性模量E=2.1×105MPa,泊松比μ=0.3,由于后面计算中要考虑吊车梁的自重,所以设定密度ρ= 7.85×10-9t/mm3。Q345的机械性能如表1所示。

三维模型建立过程中,为了提高计算精确性,根据上述吊车梁结构的实际设计与加工尺寸建立准确的1∶1模型,同时可以忽略相对较小且不影响计算结果的细微结构。建立CAE模型时要将三维制图软件PRO/E建立的模型文件转存为IGES的格式导入到Ansys中进行网格划分。为了后期有限元计算准确顺利地进行,首先要建立统一的单位制,PRO/E建模选取的单位制为mm-N-s,则Ansys结构分析中采用t-mm-s单位制。图1所示为梯形变截面钢吊车梁结构平面示意图,直角坐标系的坐标原点设在吊车梁的下翼缘中心位置。图2为完整的梯形变截面钢吊车梁的PRO/E三维模型。图3所示为吊车梁在Ansys中的网格划分,离散为73955个Solid186单元。

图1 吊车梁结构平面示意图

图2 吊车梁结构三维模型

图3 局部网格划分放大图

2 参数的基本设置与载荷施加

实际工况中,36m跨度梯形变截面钢吊车梁支承的吊车总宽度为28m,共计8个轮子,一侧吊车梁所承担的4个轮子中前后轮距总长为7800mm,2个前轮中心距到2个后轮中心距的距离为6000mm,计算时每个轮的最大轮压值为272k N,轮压分布情况如图4所示[3-4]。

根据吊车梁的实际工作状况和结构力学,确定吊车分别位于吊车梁的跨中位置和端部位置下的2种计算工况,并计算出这2种工况下施加载荷的准确位置,通过在车轮和吊车梁接触点处施加轮压值来完成加载。根据吊车载重在吊车梁上行进的过程以及《钢结构设计规范》(GB50017-2003)可知,弯矩最大时,吊车并不是完全位于吊车梁中央,而是会有一个确切产生最大弯矩的位置。根据结构力学,简支梁在任意排列的一组集中荷载作用下所产生的最大弯矩可按合力作用线与最近一个集中荷载间的距离被梁跨中线平分的原则确定,与合力最近的集中荷载所在的位置为最大弯矩所在截面,由该截面的弯矩影响线即可确定吊车竖向轮压产生的最大竖向弯矩。当吊车位于如图5所示的位置时,最大弯矩点为C点,即最大弯矩计算工况。图6为吊车梁位于端部位置的计算工况。

4个轮子作用于梁上时,最大弯矩点(C)的位置为:

图4 轮压分布图

图5 吊车位于跨中位置附近

图6 吊车位于端部位置

式中,Mcmax为最大弯矩;l为吊车梁结构的跨度;P为吊车车轮对轨道的轮压,施加集中载荷;a为合力作用点距离A端的距离。

工况1:吊车位于吊车梁如图5所示位置,整个吊车梁长为36m,吊车合力作用点距离一端:a= 19.275m,b=16.725m。工况2:吊车位于吊车梁如图6所示位置,吊车合力作用点距离一端:a= 3.45m,b=32.55m。在上述确定的2种加载位置车轮与吊车梁的接触处15个节点上施加铅垂方向向下的载荷,每个节点的载荷值为18133N。在上述2种加载情况下,吊车梁结构有限元模型的单元类型、边界条件和网格划分均相同,只是铅垂方向的载荷的作用位置不同。由于吊车的自重影响很大不可忽略,所以计算要同时加载重力加速度。将梯形变截面钢吊车梁结构简化为简支梁进行受力分析,所以约束边界条件设置为在吊车梁左侧施加全约束载荷,仿照实际条件保持计算模型的稳定性;在吊车梁右端施加Y、Z方向约束载荷。

在建立有限元模型并完成参数设置和载荷施加之后,对2种计算工况分别进行求解,具体求解操作步骤如下[5]:

1)指定分析类型Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞New analysis,选择Static;

2)选择单元类型并定义材料属性Main Menu＞Preprocessor＞Element Type和＞Material Props;

3)网格划分Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Mesh Tool;

4)施加约束和载荷Main Menu＞Solution＞Define Loads;

5)然后进行求解Main Menu＞Solution＞Solve＞Current LS。

3 仿真结果与分析

为了对36m跨度梯形变截面钢吊车梁结构的强度评估提供参考,故需对吊车梁结构进行静态分析,求解受载后的应力应变[6-8]。

1)吊车位于吊车梁跨中位置附近。图7是梯形变截面钢吊车梁结构铅垂方向(Y方向)变形图,吊车梁的最大挠度为15.6004mm。图8是吊车梁结构的Von Mises等效应力分布图,图9是变截面处Von Mises等效应力云图。从图7和图8可以看出,这种吊车位于吊车梁跨中位置附近的工况,吊车梁钢结构受力和变形的分布较为均匀,且最大应力在材料可承受范围内,有较大富裕,能够满足该工况的要求,但从图9可以看出梯形截面突变处应力集中严重,在吊车的反复工作中,交变载荷的作用易导致该处疲劳裂纹的产生,最终造成破环,其最大挠度相对于整体尺寸来说较小,即变形量很小,在可控范围内。

图7 吊车梁结构铅垂方向(Y方向)变形图

图8 吊车梁结构的Von Mises等效应力分布图

2)吊车位于吊车梁端部位置。图10是梯形变截面钢吊车梁结构铅垂方向(Y方向)变形图,吊车梁的最大挠度为3.4845mm。图11是吊车梁结构的Von Mises等效应力分布图,图12是变截面突变处Von Mises等效应力云图。从图10和图11可以看出,在这种工况下钢结构的受力和变形比跨中位置的受力和变形更小,但图12表明在梯形截面突变处仍然存在应力集中,这就说明在吊车的整个运行过程中都存在该应力集中问题,这是一个普遍的问题,可以考虑加焊钢板的方法来提高吊车梁的截面刚度,避免应力集中对吊车梁造成疲劳破坏,提高吊车梁的使用寿命。

图9 梯形变截面处局部Von Mises等效应力云图

图10 吊车梁结构铅垂方向(Y方向)变形图

图11 吊车梁结构的Von Mises等效应力分布图

图12梯形变截面处局部Von Mises等效应力云图

4 结语

对梯形变截面钢吊车梁结构在2种工况下的静态分析结果表明,该吊车梁尺寸和结构合理,满足设计基本要求。从应力云图可以看出,在吊车梁的梯形变截面端部位置有很大的应力集中,在循环荷载往复作用下成为疲劳破坏的薄弱点,因此在翼缘弯折处极易因疲劳而造成开裂。考虑在上翼缘加焊钢板的方法,还可以增大截面刚度,提高被加固构件的承载能力,为变截面钢车梁的设计运行提供了准确的理论依据。

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[编辑]洪云飞

TU391;TU311

A

1673-1409(2014)19-0062-04

2014-02-07

倪潮(1992-),男,现主要从事自动化方面的学习工作。