某水电站主机房桥机主梁结构应力分析

摘要：该文主要是使用Hypermesh对桥机主梁结构进行前处理，然后使用ABAQUS软件对桥机主梁的1/2模型进行求解。获得全局模型结果后，对重点关注的主梁变截面位置利用圣维南原理，并结合ABAQUS中的子模型方法进行二次建模。将全局模型中简化的螺栓、接触等连接关系按照实际情况建立，再进行应力分析并与实测数据比较。通过有限元计算结果与实测数据来对该型桥机运行状况进行评估。

关键词：ABAQUS   子模型   主梁  应力

中图分类号：O328;TB535+.1       文献标识码：A

Abstract： This paper mainly uses Hypermesh to pre-process the girder structure of the bridge crane， and then uses ABAQUS software to solve the 1/2 model of the girder of the bridge crane. After the global model results are obtained，  the variable section position of the girder that is paid close attention to is conducted  secondary modeling by using the Saint-Venant principle and combining with the sub-model method in ABAQUS. The simplified connection relationships such as bolts and contacts in the global model are established according to the actual situation， then the stress analysis is carried out and compared with the measured data， and the operation status of the bridge crane is evaluated through the finite element calculation results and measured data .

Key Words：  ABAQUS；Sub-model; Main girder; Stress

采用子模型法对全局模型进行细化分析，排除部分模型简化带来的不确定性，对于工程应用有较大的应用价值。

1工程背景

某水电站主机房桥机为箱型梁结构，为20世纪70年代投入使用，如图1所示。截止2021年已达到设计寿命，考虑到水电站安装间主机房桥机拆装较困难，经济成本高。因此对该桥机进行应力测试，并进行有限元计算，两者进行比较核验该型桥机运行状况。

2有限元模型建立

采用Solidworks建立桥机主梁的三维简化模型，并采用Hypermesh对模型进行网格划分，建立有限元模型。由于该型桥机主梁为对称结构，故本文只建立1/2模型，桥机主梁和部分端梁共采用438 444个单元，单元类型采用S4R壳单元，单元尺寸为20 mm，单元质量如图2所示。

模型采用t、mm、s、N、MPa、N-mm单位制。其中材料参数为：密度ρ=7.85e-9 t/mm3，弹性模量E=2.08e5、泊松比0.3，重力加速度为g=9.8e3t/s2，同时经查询图纸，该桥机主梁材料为16Mn，计算中采用塑性阶段曲线，如图3所示。

根据大车行走机构图，建立部分大车行走机构，并对大车行走轮的轴进行y轴平移自由度进行约束，其余均放开[1-2]。同时考虑该部位结构在主梁与大车行走机构按照实际螺栓位置进行rb2约束，其余均以接触进行模拟。由于本模型采用1/2模型进行计算，因此在对称面处采用z轴对称约束[3]。如图4所示。

对照原设计图纸及机械设计手册对桥机主梁进行加载，该轨道与桥机主梁接触宽度为150 mm。同时根据原设计图纸桥机最大载荷为400 t，且小车对称并位于桥机主梁跨中位置，小车轮分布如图5所示。

3计算结果

（1）单独考虑小车位于主梁跨中时，设备自重带来的桥机主梁应力及变形结果，具体见图6。

当小车位于主梁跨中时，且桥机主梁只承受设备自重，最大应力为80.55 MPa，为主梁端部行走平台花纹钢板处，具体见图7，该部位属于附属设施，应力集中可忽略。最大位移为5.232 mm，位于桥机主梁跨中。在桥机主梁仅受设备自重情况下拐角处焊缝应力最大点为65.026 MPa，具体见图8。

（2）小车在桥机主梁跨中，且起吊400 t载荷时计算结果。

计算结果如图9所示，该桥机主梁在400 t起重且小车位于主梁跨中位置时，最大应力为373 MPa，也为螺栓处为集中应力点，最大变形为25.9 mm。其中最大应力位置位于主梁与大车行走轮连接处。其中圆弧段应力在主梁中属于较大值。

圆弧焊缝处最大应力为297 MPa，具体见图10。该处对应现场实际部位见图11。

对该处部位建立子模型[4-5]分析，考虑螺栓预紧力[6-9]对焊缝处应力影响，螺栓尺寸为M36，8.8级高强螺栓。采用螺栓材料为40Cr。截取的子模型有限元模型見图12。

子模型计算结果与全局模型比较见图13，可以看出子模型在应力及变形均与全局模型吻合。按照实际贴片位置对该处单元积分点进行应力取值可得贴片处单元积分点应力最大为166.551 MPa，见图14。

4测试

4.1 测点布置

本次结构应力测试共布置30片电阻应变计。应变计主要布置在主梁、端梁、小车架、吊钩横梁等主要受力构件布置应力测点。具体测点分布见表1、图15。

4.2 结构静应力测试

试验时，小车位于跨中，无吊载载荷，作为初始零位。然后起吊载荷约400 t使之离地100～200 mm高度，悬停待额定载荷静止后，读取各测点应变值，然后对数据进行计算得出各测点部位的测试应力值。静态应力检测计算结果见表2。

有限元计算在贴片处位置最大应力值为166.551 MPa，扣除自重导致的应力为65.026 MPa，应力值为101.53 MPa，与实测应力101.5 MPa基本一致，确定该结构有限元计算结果无误。从计算及测试结果分析该主机房桥机在实际使用过程中最大应力，变形均在规范允许范围内，符合继续使用条件。

5结语

该文采用有限元对桥机主梁结构进行计算，并采用子模型法对变截面处进行了网格细化分析。同时利用电阻应变片对结构进行实测，对实测结果与有限元结果进行比较，两者数值吻合。子模型法对于实际工程较有借鉴意义，可便于细化所关注部位网格，并进行进一步分析。

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作者简介：孙世威（1986—），男，硕士，高级工程师，研究方向为钢结构。