有限元方法分析金属结构

2013-06-16 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

金属结构是门式启闭机(以下简称启闭机)的重要组成部分,通常其重量占整机重量的一半。作为整机的骨架,金属结构承受着启闭机的自重及工作时的各种外荷载。启闭机在运行多年以后,由于锈蚀、损伤和老化等原因,其安全性能有所降低。根据SL101-1994《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》的要求,应对启闭机金属结构进行安全检测。其中,刚度和强度是评价其安全性能的重要指标。有些启闭机金属结构的强度和刚度可以通过原形观测得到,而有些启闭机不具备检测条件,如无法施加所需试验载荷等而不能检测。有限元方法采用空间薄壁结构理论,所建立的模型能反映启闭机金属结构的几何形状、工作特点,作为原形观测的有效补充和检验手段,可以发挥重要的作用。本文以某水库坝顶门式启闭机为例,在没有进行原形应力和变形检测的情况下,采用ALGOR软件对启闭机金属结构进行了三维有限元计算,并对如何利用计算结果判别其刚度和强度作了详细的研究,为启闭机的安全评估提供了依据。

2概况

某水库工程由1座主坝和3座副坝组成,在坝上设2个放水底孔、9个溢洪道、1个输水洞、2个电站进水口。其中放水底孔的工作闸门和检修闸门、溢洪道、输水洞及电站进水口所设的检修闸门均由坝顶2*500 kN双向启闭机操作,启闭机工作级别为Ql级。
启闭机的金属结构是由3个相互垂直、各节点假设为刚性连接的框架(即主框架、侧框架和平台框架)所组成的空间薄壁结构体系,又可分为主梁、支腿、上横梁、中横梁、下横梁,启闭机所承受的荷载通过各构件的相互传递来共同承担。为真实反映金属结构的受力状态,根据各构件的蚀余厚度建立了模型。

3计算模型及参数

3.1单元划分
根据启闭机金属结构的结构形式和受力特点并结合构件的形状,将主梁的加强型钢离散为梁单元,其余构件离散为板单元。据此所建立的金属结构有限元计算模型见图1,计算模型的节点总数为7 450个,单元总数为8 282个。考虑到整个结构在有限元网格剖分时各单元的衔接问题,建模时使各个部件在相互连接处具有相同的节点,并且尽量使板单元长宽比接近于1,最大不超过3,以保证结果的准确性。

3.2约束处理

金属结构在4个行走轮处受Y方向(垂直于轨道水平方向)及z方向(铅垂向)位移约束,其中一个行走轮同时受x方向(平行于轨道方向)位移约束。x、y,z轴方向见图1.

有限元方法分析金属结构ansys分析案例图片1

3.3计算荷载与计算工况

计算荷载主要考虑作用于启闭机的额定起重量2*500 kN、小车重量、吊具重量及金属结构自重。额定起重量及小车均位于最不利位置。

3.4结构尺寸与材料特性

因各构件的外形尺寸难以精确测得,故按设计图纸取用,构件的截面厚度采用现场实测的蚀余厚度。由于处于对称位置的构件蚀余厚度不尽相同,金属结构并非对称结构,因而计算结果也不完全对称。金属结构主要构件的材料为Q235钢,弹性模量E=2.06*105 MPa,泊松比μ= 0.3,容重ν=78.5 kN/时。

4结构变形计算结果与分析

有限元方法分析金属结构ansys结果图图片2

图2为启闭机金属结构在计算荷载下放大比例系数为250倍的结构变形图。比较金属结构变形前后的图形可以看到,金属结构在荷载作用下呈明显的整体性。主梁在:方向随同支腿发生了位移,同时自身也产生了弯曲变形,悬臂端上凸,而跨中部分下凸。支腿向外弯曲,同时发生了压缩。上横梁、中横梁、下横梁与主梁、支腿刚性连接,因而也产生了不同程度的压弯变形。从金属结构的变形形状可以初步分析金属结构的受力状况和应力分布情况:(1)主梁下翼缘悬臂端受压,跨中部分受拉;(2)支腿在承受压应力作用的同时,还在主框架平面内受到弯矩作用,在两者的共同作用下成为偏心压弯构件。
根据DIJT5167-2002《水利水电工程启闭机设计规范》要求,启闭机应进行刚度复核。主要验算主梁的挠度,规定当启闭机工作级别为Ql级时,主梁的最大挠度与计算跨度的比值不应超过1/700。

5.1强度评判标准

(1)许用应力许用应力与钢材的厚度直接相关,例中金属结构各构件所用钢材的厚度均不大于16 mm,属钢材尺寸分组中的第1组,其许用应力为[б]=160 MPa,[τ]=95 MPa。
金属结构所用钢板经多年时效和腐蚀后,力学性质会发生一定程度的变化,屈服强度有所降低。根据SL226-1998 《水利水电工程金属结构报废标准》规定,对在役启闭机进行结构强度验算时,材料的许用应力应按使用年限进行修正,许用应力应乘以0.90-0.95的使用年限修正系数。修正后构件材料的许用应力为[б]=144 MPa,[τ]= 85.5MPa。
(2)评判标准启闭机金属结构构件在受拉、压、弯、扭情况下,应校核正应力。和剪应力:,校核公式为:б≤[б],τ≤[τ]
当构件在同一计算部位有较大正应力、剪应力和局部压应力时,除校核正应力和剪应力外,还应校核折算应力бzh,校核公式为
бzh≤1.1[б]
式中[б]-调整后的许用正应力
[τ]-调整后的许用剪应力

5.2计算结果与分析

(1)主梁主梁是由上、下翼缘及腹板组成的箱形结构。腹板的主要作用是抗弯抗剪,翼缘的主要作用是抗弯。图3给出了主梁外腹板的轴向(x向)正应力бx 、横向(z向)正应力бz ,剪应力r及折算应力бzh的等值线图。

有限元方法分析金属结构ansys结果图图片3

由计算结果可知主梁的轴向正应力бx的分布与二型结构按平面体系计算的结果相吻合。主梁在跨中部分的应力较大,而在悬臂端的应力则相对较小,这是由于在跨中,除了作用着自重外,小车、吊具的重量及所承担的额定荷载也作用其中,而在悬臂端仅作用有该部分及上横梁的重量。由2部分的应力对比可以看出,启闭机的外荷载在主梁的应力中起主要作用。在小车车轮作用处,主梁除有弯曲正应力外,还有较大的局部压应力,因而也造成该处有较大的折算应力,此压应力以较快的速度沿轴向递减。主梁腹板在跨中处的剪应力并不为零,这是因为剪应力中含有扭转应力。产生扭转的主要原因是上横梁与主梁刚性连接,相当于在主梁端部施加了扭矩。
在计算荷载下,主梁轴线方向的最大正应力бs为-29.9MPa,横向最大正应力бz为-80.3MPa,最大剪应力τ为50.2MPa,最大折算应力,бzh为126.5 MPa,均小于材料的应力许用值,主梁强度满足要求。
(2)支腿支腿是整个结构的主要承压构件,同时受到主框架平面和侧框架平面内的弯矩作用,是一偏心受压柱。支腿截面为箱型,其最大应力出现在翼缘上。由图3中支腿外腹板轴向(z向)应力等值线看出,支腿应力由外向内、由下向上逐渐增大,较好地反映出了支腿作为偏心受压柱的受力特性。在计算荷载下,支腿最大轴向应力бz为-28.6 MPa,最大横向正应力бx为-6.1 MPa,最大剪应力τ为10.3 MPa,最大折算应力бzh为31.1MPa,均小于材料的应力许用值,支腿强度满足要求。
(3)上横梁、中横梁、下横梁上横梁、中横梁;下横梁除承受自重外,还连接着主梁、支腿,构成框架共同承受外荷载的作用,同时下横梁还承受着上部结构的重量。在计算荷载下,上横梁、中横梁、下横梁的最大应力列于表1。由计算结果可知,上横梁、中横梁各截面的应力分布基本相同,横向应力和剪应力很小,轴向应力相对较大,说明两者主要受轴向压力和纯弯矩作用。下横梁中间段的受力特征与上、中横梁基本相同,但在与支腿连接处,由于要承担支腿传递的作用力而产生了较大的局部压应力,使该处成为了下主梁的应力控制部位。由表1中数据可知,上横梁、中横梁、下横梁的应力均小于材料的应力许用值,强度满足要求。

有限元方法分析金属结构ansys结果图图片4

6结语

(1)在建立了启闭机金属结构三维有限元模型并计算之后,可以得到金属结构各构件在荷载作用下的变形和应力分布情况。
(2)对启闭机金属结构各构件进行校核时应选择恰当的标准。计算结果表明:在计算荷载下,本例中启闭机的主梁挠度值小于规范规定的许用值,构件的应力也均小于其应力许用值,即启闭机金属结构的刚度、强度均满足要求。

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