鋼結(jié)構(gòu)有限元分析

鋼結(jié)構(gòu)有限元分析,鋼結(jié)構(gòu),有限元分析 破碎站鋼結(jié)構(gòu)有限元分析,,,,主要設(shè)計(jì)工作,1建立破碎站鋼結(jié)構(gòu)有限元模型 2有限元模型的模態(tài)分析 3有限元模型靜力學(xué)分析（應(yīng)變和應(yīng)力）,1在ANSYS9.0軟件中建立有限元模型,破碎站的主視圖,受料倉(cāng)與給料機(jī),受料倉(cāng)和給料機(jī)共686個(gè)單元，其中梁?jiǎn)卧?98 個(gè)，桿單元88個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為597個(gè),破碎平臺(tái)與控制室,破碎平臺(tái)和控制室共1055個(gè)單元，其中梁?jiǎn)卧?99個(gè)，桿單元56個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)1008個(gè)，,模態(tài)分析,分別計(jì)算兩個(gè)模型的 1前20階固有頻率 2前3階振型圖 3前3階振型動(dòng)畫,表4.1 受料倉(cāng)與給料機(jī)各階固有頻率 (單位：HZ),表4.1 破碎平臺(tái)與控制室各階固有頻率 (單位：HZ),摘 要 本文主要對(duì)某煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)，一次破碎站鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。破碎站由受料倉(cāng)與給料機(jī)和破碎平臺(tái)與控制室兩部分組成。對(duì)兩部分的鋼結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行有限元分析。在結(jié)果中找到危險(xiǎn)的部位進(jìn)行具體的分析。 首先，建立受料倉(cāng)與給料機(jī)的有限元實(shí)體模型。計(jì)算等效的載荷，計(jì)算出鋼結(jié)構(gòu)在載荷下的應(yīng)力和變形并分析它們的分布情況。 其次，破碎平臺(tái)與控制室求解過(guò)程和上邊的一樣，但是破碎平臺(tái)和控制室的連接是鉸接，所以在建模的過(guò)程中采用耦合的方法進(jìn)行處理。 最后，對(duì)兩個(gè)有限元實(shí)體模型進(jìn)行模態(tài)分析，分別求解出固有頻率和模態(tài)振型圖。 關(guān)鍵詞 有限元；鋼結(jié)構(gòu)；模態(tài)分析 ABSTRACT This dissertation mainly to an open coalmine ground production system, one broken to stand steel construction finite element analysis. Store -give material machine and broken platform- control room two parts make up the crush station. Finite element analysis to the steel construction of two parts comparatively. Find the dangerous part to carry on concrete analysis of the result. First of all, set up the finite element of Store -give material machine’s entity model. Calculate the equivalent load; solve out the stress and strain of the steel construction under the load and analysis their distribution situation. The next place, the course of solving is the same as above. But the connections of the broken platform and control room are the hinged joint, so deal with by coupling in the course of modeling. Finally, carry on mode analysis to two finite element entity models; it is solve the intrinsic frequencies and mode picture of shaking, respectively. Keyword finite element；steel construction；mode analysis 目 錄 中文摘要…………………………………………………………………………………Ⅰ 英文摘要…………………………………………………………………………………Ⅱ 1 前言………………………………………………………………………………………1 1.1有限元分析方法介紹……………………………………………………………1 1.2大型有限元分析軟件ANSYS介紹………………………………………………2 1.3主要工作…………………………………………………………………………3 2 受料倉(cāng)與給料機(jī)的鋼結(jié)構(gòu)有限元分析…………………………………………………4 2.1建立有限元模型…………………………………………………………………4 2.2載荷等效計(jì)算………………………………………………………………………6 2.2.1主要結(jié)構(gòu)截面幾何參數(shù)……………………………………………………6 2.2.2實(shí)際載荷情況………………………………………………………………7 2.2.3實(shí)際等效計(jì)算結(jié)果…………………………………………………………7 2.3有限元分析結(jié)果…………………………………………………………………10 2.3.1受料倉(cāng)與給料機(jī)整體位移…………………………………………………10 2.3.2分析部位圖…………………………………………………………………12 2.3.3支撐立柱結(jié)果………………………………………………………………13 2.2.4兩根縱梁結(jié)果………………………………………………………………17 3 破碎平臺(tái)與控制室的鋼結(jié)構(gòu)有限元分析………………………………………………19 3.1建立有限元模型…………………………………………………………………19 3.2載荷等效計(jì)算……………………………………………………………………22 3.2.1主要結(jié)構(gòu)截面幾何參數(shù)……………………………………………………22 3.2.2破碎平臺(tái)實(shí)際載荷情況……………………………………………………23 3.2.3破碎平臺(tái)實(shí)際等效計(jì)算結(jié)果………………………………………………24 3.3有限元分析結(jié)果……………………………………………………………………26 3.3.1破碎平臺(tái)與控制室整體位移………………………………………………26 3.3.2頂層橫梁結(jié)果………………………………………………………………27 3.2.3破碎機(jī)支撐梁結(jié)果…………………………………………………………26 3.2.4破碎機(jī)立柱結(jié)果……………………………………………………………29 4 破碎站鋼結(jié)構(gòu)模態(tài)分析…………………………………………………………………31 4.1受料倉(cāng)與給料機(jī)的固有頻率和振型圖…………………………………………31 4.2破碎平臺(tái)與控制室的固有頻率和振型圖………………………………………32 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………35致 謝………………………………………………………………………………………36 英文資料原文 英文資料翻譯 IV 1 前 言 1.1有限元分析方法介紹 有限元分析的基本概念是用較簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的(較簡(jiǎn)單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問(wèn)題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問(wèn)題被較簡(jiǎn)單的問(wèn)題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問(wèn)題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能夠表示實(shí)際連續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在幾個(gè)世紀(jì)前就已產(chǎn)生并得到了應(yīng)用，例如用多邊形（有限個(gè)直線單元）逼近圓來(lái)求得圓的周長(zhǎng)，但作為一種方法而被提出，則是最近的事。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，并由于其方便性、實(shí)用性和有效性而引起從事力學(xué)研究的科學(xué)家的濃厚興趣。經(jīng)過(guò)短短數(shù)十年的努力，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速?gòu)慕Y(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實(shí)用高效的數(shù)值分析方法。 有限元方法與其它求解邊值問(wèn)題近似方法的根本區(qū)別在于它的近似性僅限于相對(duì)小的子域中。20世紀(jì)60年代初首次提出結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地將其描繪為：“有限元法=Rayleigh Ritz法＋分片函數(shù)”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一種局部化情況。不同于求解（往往是困難的）滿足整個(gè)定義域邊界條件的允許函數(shù)的Rayleigh Ritz法，有限元法將函數(shù)定義在簡(jiǎn)單幾何形狀（如二維問(wèn)題中的三角形或任意四邊形）的單元域上（分片函數(shù)），且不考慮整個(gè)定義域的復(fù)雜邊界條件，這是有限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一。 對(duì)于不同物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)模型的問(wèn)題，有限元求解法的基本步驟是相同的，只是具體公式推導(dǎo)和運(yùn)算求解不同。簡(jiǎn)言之，有限元分析可分成三個(gè)階段，前處理、處理和后處理。前處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；后處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡(jiǎn)便提取信息，了解計(jì)算結(jié)果。 1.2大型有限元分析軟件ANSYS介紹 成立于1970年的美國(guó)ANSYS公司，是目前世界上最著名的CAE（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）軟件和服務(wù)的提供商之一。34年來(lái)，ANSYS公司一直致力于分析設(shè)計(jì)軟件的開(kāi)發(fā)及分析咨詢服務(wù)，為全球工業(yè)界所廣泛接受，并擁有了全球最大的用戶群體：近13000家正式商業(yè)用戶（總裝機(jī)超過(guò)70000臺(tái)套）和超過(guò)100000家大學(xué)用戶；在美國(guó)《財(cái)富》雜志評(píng)選出的全球財(cái)富前100企業(yè)中；有73個(gè)是ANSYS的“集團(tuán)”用戶；許多國(guó)際化大公司以ANSYS軟件作為其設(shè)計(jì)分析標(biāo)準(zhǔn)。這些用戶群體涵蓋了機(jī)械制造、能源、石油化工、電子、土木建筑、汽車、鐵道、軍工、核技術(shù)、航空航天、造船、地礦、水利、生物醫(yī)學(xué)、日用家電等諸多工業(yè)領(lǐng)域，ANSYS是這些工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行國(guó)際國(guó)內(nèi)優(yōu)化設(shè)計(jì)、技術(shù)交流的主要平臺(tái)。 ANSYS軟件的最新發(fā)展總是領(lǐng)先于CAE領(lǐng)域的變革趨勢(shì)。它融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁于一體的多物理場(chǎng)耦合仿真的功能，集中代表了用于“虛擬樣機(jī)”最先進(jìn)的CAE技術(shù)；高度非線性分析功能是20世紀(jì)90年代大型通用CAE程序的標(biāo)志；與CAD軟件無(wú)縫的幾何模型雙向參數(shù)互動(dòng)是CAD/CAE整體化協(xié)同仿真的基礎(chǔ)……。 近年來(lái)，ANSYS公司在CFD領(lǐng)域的發(fā)展更是令世人矚目：2000年ANSYS收購(gòu)了CFD業(yè)界最著名的前處理工具ICEMCFD；同年收購(gòu)了美國(guó)NASA研究中心的快速氣動(dòng)選型工具CART3D;2003年收購(gòu)了世界三大CFD軟件巨頭之一CFX。至此，ANSYS已經(jīng)在結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁各個(gè)物理場(chǎng)都擁有了最先進(jìn)的分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了ANSYS的宏大夢(mèng)想：強(qiáng)大的多物理場(chǎng)耦合分析，領(lǐng)先的多學(xué)科協(xié)同仿真。ANSYS在CFD領(lǐng)域的最新進(jìn)展，即 SYSCFD各具特色的“三劍客”：ICEMCFD、CART3D、CFX。ANSYS此次在CFD領(lǐng)域的最新進(jìn)展是ANSYS發(fā)展史上又一個(gè)重要的里程碑。嶄新的ANSYS產(chǎn)品體系將更好地滿足人們對(duì)CAE的期望和要求，推動(dòng)并加強(qiáng)我國(guó)企業(yè)的研發(fā)實(shí)力。 ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。有限元分析軟件，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，Pro/Engineer NASTRAN、 Alogor、I－DEAS、AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一。軟件提供了100種以上的單元類型，用來(lái)模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種不同版本，可以運(yùn)行在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)設(shè)備上，如PC、SGI、HP、SUN、DEC、IBM、CRAY等。目前版本為ANSYS9.0版，其微機(jī)版本要求的操作系統(tǒng)為Windows 2000或Windows XP,也可運(yùn)行于UNIX系統(tǒng)下。 1.3主要工作 首先，是要熟悉有限元軟件和材料力學(xué)的相關(guān)知識(shí)。所以，對(duì)材料力學(xué)書的典型習(xí)題，先用材料力學(xué)求解一遍，然后再用有限元軟件進(jìn)行求解。通過(guò)兩方面的結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題。在鞏固材料力學(xué)基本知識(shí)的同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)并解決在有限元分析過(guò)程中出現(xiàn)的實(shí)際問(wèn)題。 其次，要熟悉畢業(yè)設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)。不但要弄清實(shí)際空間布置，而且要構(gòu)思好建模方案。對(duì)于大型的鋼結(jié)構(gòu)，優(yōu)化的方案會(huì)取得事半功倍的效果。建模的過(guò)程必須邊建模，邊檢查出現(xiàn)的錯(cuò)誤，邊進(jìn)行修改工作。局部的錯(cuò)誤，要在局部來(lái)解決，要是所有的錯(cuò)誤混在一起，會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤太多查不出來(lái)的后果。 設(shè)計(jì)的過(guò)程和平時(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程是截然不同的。平時(shí)學(xué)習(xí)可以用先解決簡(jiǎn)單的問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)難的問(wèn)題可以回避，等到水平提高以后在解決?？墒窃O(shè)計(jì)的過(guò)程必須以最快的速度解決發(fā)現(xiàn)的新問(wèn)題。例如，我在建立破碎平臺(tái)與控制室模型的最后階段，發(fā)現(xiàn)破碎平臺(tái)和控制室是鉸接，鉸接是具有相同的線位移，而其角位移不同。這個(gè)問(wèn)題要是不及時(shí)的解決，就無(wú)法進(jìn)行下一步的求解的工作，并且會(huì)影響工作進(jìn)度。在安教授的指導(dǎo)下，查找相關(guān)的書籍，研究必要的相關(guān)知識(shí)，并作一定數(shù)量的相關(guān)試題。用最快的速度解決這個(gè)具體的問(wèn)題。采用兩重復(fù)節(jié)點(diǎn)自由度耦合的方法，使相互重復(fù)的節(jié)點(diǎn)只具有相同的線位移，而其角位移不同。 對(duì)于載荷的等效計(jì)算也是非常重要的。不但弄清楚實(shí)際載荷的位置、數(shù)值、方向，而且要查閱相關(guān)的載荷等效公式，載荷系數(shù)。計(jì)算工作要求保證不出錯(cuò)誤，而且需要計(jì)算多邊并對(duì)比結(jié)果。確定準(zhǔn)確無(wú)誤后，才能進(jìn)行下一部分的工作。 有限元計(jì)算出的結(jié)果，要進(jìn)行必要的保存。用有限元軟件圖形保存的命令保存圖片結(jié)果；用動(dòng)畫的形式保存模態(tài)分析的結(jié)果；用有限元列表的命令保存重要的數(shù)據(jù)結(jié)果。對(duì)于這些結(jié)果要結(jié)合自己結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的分析，這樣不僅能驗(yàn)證結(jié)果的正確性，還能提高自己的分析實(shí)際結(jié)構(gòu)的能力。 3 2 受料倉(cāng)與給料機(jī)的鋼結(jié)構(gòu)有限元分析 2.1建立有限元模型 如圖2.1破碎站主視圖和圖2.2破碎機(jī)布置圖，它的工作過(guò)程是：卸料卡車間歇把最大入料粒度為1500mm的煤塊倒入受料倉(cāng)，受料倉(cāng)存儲(chǔ)大粒度煤塊。刮板給料機(jī)把受料倉(cāng)的大粒度的煤塊連續(xù)的刮給破碎平臺(tái)的破碎機(jī)。破碎機(jī)把最大入料粒度為1500mm的煤塊破碎成最大排料粒度為300mm的煤塊，煤塊由底部的傳送帶傳出。 圖2.1 破碎站主視圖 圖2.2 破碎機(jī)布置圖 破碎站鋼結(jié)構(gòu)的彈性模量E＝200000MPa，泊松比m=0.3，質(zhì)量密度r=7.8×10-3kg/cm3。破碎站由支撐件H型鋼和斜支撐(角鋼)組成。在結(jié)構(gòu)離散化時(shí)，由于角鋼和其它部位鉸接，鉸接是具有相同的線位移，而其角位移不同。承受軸向力，不承受在其它方向的彎矩，相當(dāng)于二力桿，所以H型鋼用梁?jiǎn)卧M，角鋼用桿單元模擬。破碎站是由受料倉(cāng)與給料機(jī)和破碎平臺(tái)與控制室兩部分組成，故計(jì)算時(shí)是分別對(duì)這兩部分進(jìn)行的。離散后，受料倉(cāng)和給料機(jī)共686個(gè)單元，其中梁?jiǎn)卧?98 個(gè)，桿單元88個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為597個(gè)，有限元模型如圖2.3和圖2.4所示。 圖2.3 受料倉(cāng)與給料機(jī)有限元模型 圖2.4 受料倉(cāng)與給料機(jī)有限元模型俯視圖 2.2載荷等效計(jì)算 2.2.1主要結(jié)構(gòu)截面幾何參數(shù) 破碎站主要結(jié)構(gòu)采用H型鋼梁，截面尺寸如圖2.5所示，各截面橫截面積A，截面慣性矩Iy，Iz和極慣性矩I如下。 圖2.5 截面尺寸 料倉(cāng)及給料機(jī)支撐結(jié)構(gòu) 料倉(cāng)及給料機(jī)六根支撐立柱(H500×400×12×20) A= 215.2mm2，Iy＝101947×104mm4，Iz＝21340×104mm4，I＝240×104mm4 料倉(cāng)B－B面橫梁和給料機(jī)E－E、F－F面橫梁(H400×300×12×20) A=16320mm2，Iy＝48026×104mm4，Iz＝9005×104mm4，I＝181×104mm4 料倉(cāng)C－C面和D－D面橫梁(H400×400×12×20) A=20320mm2，Iy＝ 62479×104mm4，Iz＝21339×104mm4，I＝234×104mm4 給料機(jī)兩根縱梁(H550×400×12×20) A=22120mm2，Iy＝125678×104mm4，Iz＝21341×104mm4，I＝243×104mm4 給料機(jī)六根橫梁(H400×400×12×20) A=20320mm2，Iy＝ 62479×104mm4，Iz＝21339×104mm4，I＝234×104mm4 其它橫梁(H400×300×12×20) A=16320mm2，Iy＝ 48026×104mm4，Iz＝ 9005×104mm4，I＝181×104mm4 斜支撐的橫截面積 125×12：A＝2856mm2 75× 6：A＝864mm2 2.2.1實(shí)際載荷情況 給料機(jī)自重載荷：65000kg 最大驅(qū)動(dòng)扭矩：2*150kN-m 給料機(jī)動(dòng)力載荷：垂直載荷系數(shù):1.3；水平載荷系數(shù):0.3 受料倉(cāng)支撐柱實(shí)際支撐物料載荷：150000kg 給料機(jī)尾部受倉(cāng)壓載荷：50000kg 給料機(jī)前部物料載荷：4800kg/m 物料沖擊載荷（或偏心彎矩載荷）：12000kg-m(作用于每個(gè)倉(cāng)柱上) 走道平臺(tái)載荷:沿設(shè)備兩側(cè)考慮走道寬度為1米，按300kg/m2考慮 結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載：按0.6kN/m2考慮 地震載荷：地震烈度8度 料倉(cāng)自重載荷：85000kg 清掃溜槽自重：6000kg 導(dǎo)料擋板自重載荷：30000kg 支撐結(jié)構(gòu)（除滑橇自重）:30000kg 2.2.2實(shí)際等效計(jì)算結(jié)果 走道平臺(tái)載荷 數(shù)值：q1＝3.6(N/mm) 位置：垂直作用在給料機(jī)兩根縱梁上。 風(fēng)載 數(shù)值：q2＝2.295(N/mm) 位置：-z方向的迎風(fēng)梁上。 驅(qū)動(dòng)扭矩 數(shù)值：M＝195×106(N·mm) 位置：縱梁的前端，由破碎平臺(tái)傳遞過(guò)來(lái)。 料機(jī)尾部受倉(cāng)壓載荷 數(shù)值：q3＝69.02899(N/mm) 位置：縱梁的尾部，方向?yàn)橹亓Ψ较颉? 給料機(jī)前部物料載荷 位置：縱梁的E_E截面到給料機(jī)前端。 數(shù)值：q4＝67.200(N/mm) 導(dǎo)料擋板自重 數(shù)值：q5＝12.85714(N/mm) 位置：垂直作用在給料機(jī)兩根縱梁上。 清掃滑溜槽自重 數(shù)值：q6＝2.57143(N/mm) 位置：垂直作用在給料機(jī)兩根縱梁上。 圖2.6 作用在受料倉(cāng)與給料機(jī)上的壓力載荷模型 受料倉(cāng)支撐柱支撐物料載荷 數(shù)值：F＝300000(N) 位置：受料倉(cāng)每根支撐柱的頂端，方向?yàn)橹亓Ψ较颉? 物料沖擊載荷 數(shù)值：M＝28.000(N·mm) 位置：受料倉(cāng)每根支撐柱的頂端，方向由右手定則判斷。 給料機(jī)自重載荷 Fy＝153833(N) 位置：受料倉(cāng)每根支撐柱的頂端，方向?yàn)橹亓Ψ较颉? Fz＝45500(N) 位置：受料倉(cāng)每根支撐柱的頂端，其水平載荷方向與風(fēng)載相同。 圖2.7 作用在受料倉(cāng)與給料機(jī)上的集中載荷模型 圖2.8 受料倉(cāng)與給料機(jī)的載荷模型 2.3有限元分析結(jié)果 2.3.1受料倉(cāng)與給料機(jī)整體位移 最大z方向的位移出現(xiàn)在受料倉(cāng)連結(jié)B－C－D面的水平橫梁上，其值為-4.272mm，如圖2.9所示，主要是由物料沖擊載荷和給料機(jī)自重載荷的水平分量引起的。 圖2.9 受料倉(cāng)與給料機(jī)的z方向變形 最大y方向位移位于給料機(jī)縱梁最前端，如圖2.10所示，其中y方向位移為8.531mm，主要是由刮板給料機(jī)的驅(qū)動(dòng)扭矩和給料機(jī)前部的物料載荷共同引起的。 圖2.10 受料倉(cāng)與給料機(jī)的y方向變形 如圖2.11所示，x方向位移為4.492mm，最大等效位移在給料機(jī)縱梁最前端，位移為4.492mm，這里屬于懸臂梁，雖然有大截面的斜支撐，但是卻是要重點(diǎn)分析的部位。 圖2.11 受料倉(cāng)與給料機(jī)的x方向變形 如圖2.12受料倉(cāng)與給料機(jī)的整體變形，其中y方向的分量占的比重最大，它的方向和主要載荷在同一個(gè)方向。其它方向的分量所占的比重比較小。整體變形的最大數(shù)值為9.649mm。 圖2.12 受料倉(cāng)與給料機(jī)的整體的變形 2.3.1分析部位圖 為了便于對(duì)出現(xiàn)危險(xiǎn)部位位置的描述，參考圖2.13危險(xiǎn)部位側(cè)視圖 1 2 3 4 5 6 7 ….. 8 9 10 11 圖2.13 危險(xiǎn)部位側(cè)視圖 1……………B－B截面 2……………縱梁尾部 3……………C－C截面 4……………斜支撐 5……………D－D截面 6……………縱梁中部 7……………E－E截面 8……………F－F截面 9……………斜支撐 10…………斜支撐和縱梁的鉸接處 11…………縱梁前端 如圖2.13在y方向?yàn)閷?shí)際物體的重力方向，也是立柱的方向。X方向?yàn)榭v梁的方向?？v梁與水平面上傾10度。在垂直紙面的z方向有橫梁連接立柱和縱梁。 2.3.2支撐立柱結(jié)果 軸向力如圖2.14所示。由圖可見(jiàn)，支撐立柱受到軸向壓力作用，E－E面的兩根立柱軸向力較小，F(xiàn)－F面兩根立柱軸向力大，最大軸向力作用F－F面立柱底部至第一根水平橫梁之間，其值為-497590N。 圖2.14 立柱軸向力圖 軸向應(yīng)力如圖2.15所示。對(duì)應(yīng)的最大軸向應(yīng)力為-26.034MPa。因?yàn)檫@幾根立柱的截面幾何參數(shù)一樣，所以出現(xiàn)的位置與軸向力相同。 圖2.15 立柱軸向應(yīng)力圖 相對(duì)于立柱梁?jiǎn)卧植孔鴺?biāo)y軸的彎矩如圖2.16所示，E－E面兩根立柱彎矩較大，最大彎矩位于E－E面立柱頂端，最大值My＝0.993×108N·mm，最小彎矩位于C－C面立柱頂端，最小值My＝-0.995×108N·mm， 圖2.16 局部坐標(biāo)y軸的彎矩圖 對(duì)應(yīng)的應(yīng)力如圖2.17所示，最大應(yīng)力為33.031MPa。最小應(yīng)力為-33.118MPa。 圖2.17 局部坐標(biāo)y軸的彎曲應(yīng)力圖 相對(duì)應(yīng)立柱梁?jiǎn)卧植孔鴺?biāo)z軸的彎矩如圖2.18所示，最大彎矩位于B－B面中風(fēng)載作用面的立柱，底部最大彎矩0.126×108N·mm，在B－B面拉筋連結(jié)點(diǎn)處彎矩?cái)?shù)值為-0.196×108N·mm，D－D面第一根水平橫梁處彎矩為0.25563×108N·mm， 圖2.18 局部坐標(biāo)z軸的彎矩圖 對(duì)應(yīng)的應(yīng)力如圖2.19所示，B－B面中風(fēng)載作用面立柱底部應(yīng)力為19.625MPa，底部連結(jié)點(diǎn)處應(yīng)力為30.605MPa，D－D面第一根水平橫梁處應(yīng)力為24.024MPa。 圖2.19 局部坐標(biāo)z軸的彎曲應(yīng)力圖 2.2.3兩根縱梁結(jié)果 兩根縱梁軸向力如圖2.20，可見(jiàn)兩根縱梁軸向應(yīng)力很小，最大軸向力192337N，位于F面和縱梁與斜支撐的接觸之間。這里的變形也是最大的。軸的方向與大部分的載荷方向近似垂直。在斜支撐與縱梁連接到縱梁的前端只承受彎矩，不承受軸向力。 圖2.20 兩根縱梁軸向力圖 兩根縱梁軸向應(yīng)力如圖2.21所示，可見(jiàn)兩根縱梁軸向應(yīng)力很小，最大軸向應(yīng)力＝13.066MPa，位于F面和縱梁前端之間。 圖2.21 兩根縱梁軸向應(yīng)力圖 相對(duì)于縱梁梁?jiǎn)卧植孔鴺?biāo)y軸的彎矩如圖2.22所示，其最小彎矩My＝-0.176×109N·mm，位于斜支撐與縱梁連接處，這里的彎矩最大驅(qū)動(dòng)扭矩作用在懸臂梁頂端。 圖2.22 局部坐標(biāo)y軸的彎矩圖 對(duì)應(yīng)的應(yīng)力如圖2.23所示，最小應(yīng)力＝-97.755MPa，位于F－F面處，。 圖2.23 局部坐標(biāo)y軸的彎曲應(yīng)力圖 相對(duì)于縱梁梁?jiǎn)卧植孔鴺?biāo)Z軸的彎矩如圖2.24所示，其最大彎矩Mz＝0.174×108N·mm，這里是承受給料機(jī)尾部受倉(cāng)壓載荷，位置是縱梁和C_C截面相連接。 圖2.24 局部坐標(biāo)Z軸的彎矩圖 對(duì)應(yīng)的應(yīng)力如圖2.25所示，最小應(yīng)力＝-47.911MPa。位于C－C面處。 圖2.25 局部坐標(biāo)Z軸的彎曲應(yīng)力圖 19 3 破碎平臺(tái)的鋼結(jié)構(gòu)有限元分析 3.1建立有限元模型 破碎站圖紙是二維圖紙，在建立有限元模型的過(guò)程中充分應(yīng)用了并行過(guò)程，料倉(cāng)與給料機(jī)和破碎平臺(tái)與控制室兩部分是基本上同時(shí)建立起來(lái)的，破碎平臺(tái)和控制室兩部分是屬于同一個(gè)模型，應(yīng)該分別建立。由于承載核心部件破碎機(jī)的是破碎平臺(tái)，所以先從破碎平臺(tái)開(kāi)始建立模型，再定義材料、單元類型、截面形狀還要兼顧后續(xù)進(jìn)程。 圖3.1 為破碎站右視圖，一共有四層的結(jié)構(gòu)：第一層，放置傳送帶，傳送帶把破碎機(jī)破碎下來(lái)的物料運(yùn)走，第二層，放置核心部件破碎機(jī)器，第三層和第四層，主要是放置破碎機(jī)。最頂層有控制室和起重機(jī)。 圖3.1 破碎站右視圖 破碎站鋼結(jié)構(gòu)的彈性模量E＝200000MPa，泊松比m=0.3，質(zhì)量密度r=7.8×10-3kg/cm3。破碎站由支撐件H型鋼和斜支撐(角鋼)組成。在結(jié)構(gòu)離散化時(shí)，由于角鋼和其它部位鉸接，鉸接是具有相同的線位移，而其角位移不同。只承受軸向力，而且無(wú)其它方向的彎矩，所以H型鋼用梁?jiǎn)卧M，角鋼用桿單元模擬。 破碎站是由料倉(cāng)與給料機(jī)和破碎平臺(tái)與控制室兩部分組成，故分別對(duì)這兩部分進(jìn)行計(jì)算。離散后，破碎平臺(tái)和控制室共1055個(gè)單元，其中梁?jiǎn)卧?99個(gè)，桿單元56個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)1008個(gè)，整體限元模型如圖3.2所示。 圖3.2 破碎平臺(tái)和控制室有限元模型 這個(gè)模型的破碎平臺(tái)是主要承載，破碎機(jī)自重載荷、最大驅(qū)動(dòng)扭矩、物料沖擊載荷、上罩和下溜槽自重載荷和破碎機(jī)動(dòng)力載荷等一系列重要載荷的重要部位，采用的支撐件H型鋼和斜支撐(角鋼)的面積都是最大的，所以在建立模型的過(guò)程中，控制單元長(zhǎng)度大致是控制室的一半，這樣保證重要部位的精度，同時(shí)也符合網(wǎng)格劃分的粗精結(jié)合的基本原則。 控制室采用的支撐件H型鋼和斜支撐（角鋼）的面積都是較小的，主要承載，起重設(shè)備及起重載荷、控制室載荷、走道平臺(tái)載荷、結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載等。破碎站鋼結(jié)構(gòu)立柱底部與基礎(chǔ)相連，故立柱底部按固定端處理，即每根立柱底端的6個(gè)自由度都加以約束。破碎平臺(tái)與上部控制室采用鉸接連結(jié)，故破碎平臺(tái)與上部控制室在模型中采用特殊的方法進(jìn)行連接。破碎平臺(tái)的重要部分如下圖3.3 破碎平臺(tái)的有限元模型，共408個(gè)單元，420個(gè)節(jié)點(diǎn)。 在建立模型的過(guò)程中H型鋼和斜支撐(角鋼)的連接處的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，應(yīng)該進(jìn)行必要的記錄和嚴(yán)格的控制。最忌諱到后期要建立新的連接的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有合適的節(jié)點(diǎn)。因?yàn)楫?dāng)單元部分建立好的時(shí)候，后加節(jié)點(diǎn)，再改單元，修改的工作量將十分巨大。尤其在加載荷以后，加在單元的壓力載荷會(huì)因?yàn)閱卧?hào)的改變而移動(dòng)位置，嚴(yán)重情況會(huì)導(dǎo)致加的載荷難以再修改，再進(jìn)行重新加載荷非常麻煩。 圖3.3 破碎平臺(tái)的有限元模型 3.2載荷等效計(jì)算 3.2.1主要結(jié)構(gòu)截面幾何參數(shù) 破碎站主要結(jié)構(gòu)采用H型鋼梁，截面尺寸如圖31所示，各截面橫截面積A，截面慣性矩Iy，Iz和極慣性矩I如下。 圖3.4 截面尺寸 破碎平臺(tái)四根支撐立柱(H500×400×12×20) A=21520mm2，Iy＝101947×104mm4，Iz＝21340×104mm4，I＝240×104mm4 破碎平臺(tái)橫梁(H700×300×12×20) A=19920mm2，Iy＝16750×104mm4，Iz＝9010×104mm4，I＝198×104mm4 1.2. 2控制室 立柱(H300×300×8×12) A =9412mm2， Iy＝16340×104mm4，Iz＝5401×104mm4，I＝39×104mm4 水平橫梁(H300×200×8×12) A =7010mm2， Iy＝11361×104mm4，Iz＝1601×104mm4，I＝28×104mm4 斜支撐的橫截面積 125×12：A＝2856mm2 75× 6：A＝864mm2 90× 6：A＝1044mm2 3.2.1 破碎平臺(tái)結(jié)構(gòu)載荷 主要結(jié)構(gòu)斷面形式 立柱斷面：H500×400×12×20 水平梁斷面：H700×400×12×20、H700×300×12×20 斜支撐： 2<125×125×10、2<90×90×6 載荷情況 破碎機(jī)自重載荷：70000kg 破碎機(jī)動(dòng)力載荷：垂直載荷系數(shù)：電機(jī)側(cè)1.8；非電機(jī)側(cè)1.55 水平載荷系數(shù):0.25 最大驅(qū)動(dòng)扭矩：50kN-m；（過(guò)載扭矩）：300kN-m 物料沖擊載荷（或堵料載荷）：12000kg 走道平臺(tái)載荷：按500kg/m2考慮 結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載：按0.6kN/m2考慮 地震載荷：地震烈度8度 上罩和下溜槽自重載荷：15000kg 支撐結(jié)構(gòu)自重載荷：25000kg 控制室及起重維護(hù)結(jié)構(gòu)載荷 主要結(jié)構(gòu)斷面形式 立柱斷面：H300×300×8×12 水平梁斷面：H300×200×8×12 斜支撐：2<90×90×6 載荷情況 起重設(shè)備及起重載荷：10000kg（其中設(shè)備5000kg；起重量5000kg） 控制室載荷：8000kg 走道平臺(tái)載荷；按300kg/m2考慮 結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載：按0.6kN/m2考慮 地震載荷：地震烈度8度 支撐結(jié)構(gòu)自重載荷：15000kg 3.2.2破碎平臺(tái)實(shí)際等效計(jì)算結(jié)果 風(fēng)載荷 數(shù)值q1y＝0.789498(N/mm) 位置：-z方向的迎風(fēng)梁。 數(shù)值q1x＝0.84872(N/mm) 位置：-x方向迎風(fēng)梁。 破碎機(jī)自重載荷 數(shù)值：q2z＝182.20588(N/mm) 位置：非電機(jī)側(cè)支撐梁。 數(shù)值：q2z＝218.23529(N/mm) 位置：電機(jī)側(cè)支撐梁。 數(shù)值：q2x＝36.02941(N/mm) 位置：方向與風(fēng)載荷相同，水平作用在支撐梁。 物料沖擊載荷 數(shù)值：q3＝24.70588(N/mm) 位置：破碎機(jī)支撐梁。 上罩和下溜槽自重載荷 數(shù)值：q4＝6.47059(N/mm) 位置：破碎機(jī)支撐梁。 起重設(shè)備及起重載荷 數(shù)值：F＝35000(N) 位置：控制室頂層橫梁。 控制室載荷 控制室支撐梁， 位置：沿重力方向，在控制室支撐梁與控制室結(jié)合處。 數(shù)值q5＝24.000(N/mm) 破碎平臺(tái)的走道平臺(tái)載荷。 數(shù)值：q6＝4.96671(N/mm) 位置：控制室頂層橫梁。 控制室走道平臺(tái)載荷 第一層走道平臺(tái)長(zhǎng)其載荷。 數(shù)值：F＝13539.6(N) 位置：如圖3.5。 控制室第二層和第三層平臺(tái)長(zhǎng)相同。 數(shù)值：F＝12981.6(N) 位置：如圖3.5。 控制室頂層走道平臺(tái)載荷。 數(shù)值：q＝＝19.440(N/mm) 位置：如圖3.5。 圖3.5 破碎平臺(tái)的載荷圖 3.3有限元分析結(jié)果 3.3.1破碎平臺(tái)與控制室整體位移 分析變形是材料力學(xué)中一種重要的應(yīng)變分析（還包括轉(zhuǎn)角等），位移計(jì)算結(jié)果如下。由于風(fēng)載荷在y-z平面的作用面積很大，在頂層的z向梁和其它兩個(gè)方向的梁相比較較長(zhǎng)，最大位移位于結(jié)構(gòu)頂層，位移值為7.233mm，在破碎平臺(tái)頂層的兩根梁，變形也較大，因?yàn)樗休d起重設(shè)備及起重載荷、控制室載荷、走道平臺(tái)載荷、-z向的結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載等，如圖3.6所示。 圖3.6 破碎平臺(tái)和控制室整體變形 x方向最大位移為-7.19mm，出現(xiàn)位置和最大撓度出現(xiàn)的位置相同；由于y方向結(jié)構(gòu)剛度較大，故y方向位移較小，其最大值為-4.574mm，位于破碎平臺(tái)頂層的那兩根上，主要由起重設(shè)備及起重載荷、控制室載荷、走道平臺(tái)載荷引起；z方向最大位移為-1.426mm，位于破碎平臺(tái)的橫梁上，它是由風(fēng)載荷引起的，所以最小。 3.3.2頂層橫梁結(jié)果 通過(guò)觀察整體的彎曲應(yīng)力圖發(fā)現(xiàn)由沿著工字鋼中間平面彎矩引起的最大應(yīng)力部位為位于破碎平臺(tái)頂層的那兩根上，即與y方向的撓度相同。它的彎矩如圖3.7，它的左右兩邊的不對(duì)稱性是由于風(fēng)載荷引起的，最小值是-0.4×108 N/mm。 圖3.7控制室頂層橫梁局部坐標(biāo)y軸的彎矩圖 相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為,最大值為39.697 MPa。最小的值是-52.812 MPa，出現(xiàn)的位置與對(duì)應(yīng)的彎矩出現(xiàn)的位置相同。 圖3.8 控制室頂層橫梁局部坐標(biāo)y軸彎曲應(yīng)力圖 3.2.3破碎機(jī)支撐梁結(jié)果 對(duì)于其底部的兩根承載破碎機(jī)器的那兩根梁，承載找主要的載荷，雖然有同截面的若干根梁焊接上，并且有大截面的斜支撐，即T字梁進(jìn)行連接，以保證大截面工字鋼的四邊型穩(wěn)定性。它的彎矩是0.309×108N/mm。 圖3.7控制室頂層橫梁局部坐標(biāo)z軸的彎矩圖 最危險(xiǎn)的位置是在與垂直方向上相接觸的那一點(diǎn)上，這里的要接觸兩個(gè)大型工字鋼和四個(gè)斜支撐，這樣更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，兩根鋼梁的最值相同。所以校核一根就可，它的應(yīng)力也是出現(xiàn)在相同的位置，最小的應(yīng)力是-51.525MPa，最大價(jià)值35.509MPa。 圖3.8 控制室頂層橫梁局部坐標(biāo)z軸彎曲應(yīng)力圖 3.2.4破碎機(jī)立柱計(jì)算結(jié)果 工字鋼的軸向拉伸也是應(yīng)該考慮的，最大的拉力是在迎風(fēng)面的控制室的鉛直梁上，它的最大軸向力，如圖3.11是84919N,對(duì)應(yīng)的最大軸向應(yīng)力， 圖3.11 破碎平臺(tái)立柱軸向力圖 如圖3.12為，9.026 MPa。出現(xiàn)的位置為控制室的鉛直梁與破碎平臺(tái)鉸接處。最大的應(yīng)力為12.7025MPa。它的值不是很大，但是由于是鉸接處，對(duì)于分析還是很有意義的。 圖3.128 破碎平臺(tái)立柱軸向應(yīng)力圖 30 4 破碎站鋼結(jié)構(gòu)固有頻率分析 4.1受料倉(cāng)與給料機(jī)的固有頻率和振型圖 模態(tài)分析用于確定鋼結(jié)構(gòu)的固有頻率。這使設(shè)計(jì)工程師們可以避開(kāi)這些頻率或最大限度地減小對(duì)這些頻率上的激勵(lì)，從而消除過(guò)度振動(dòng)。 振動(dòng)模態(tài)分析用于求出結(jié)構(gòu)自然頻率和模態(tài)形狀，也稱固有頻率和主振型。該分析的結(jié)果對(duì)于實(shí)際工程設(shè)計(jì)有關(guān)參數(shù)的選擇（如激振頻率的確定、共振現(xiàn)象的避免與利用等）及進(jìn)一步的動(dòng)力分析都很重要，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的基本頻率和模態(tài)信息能夠反映動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，所以先求出受料倉(cāng)與給料機(jī)各階的固有頻率，如表4.1，其中，不同階數(shù)數(shù)值相同的是復(fù)根。 模態(tài)分析主要用于決定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。這是結(jié)構(gòu)承受動(dòng)態(tài)載荷的重要數(shù)據(jù)，同時(shí)，模態(tài)分析也是其他動(dòng)力學(xué)分析的起點(diǎn)，例如瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、諧響應(yīng)分析和譜分析的起點(diǎn)。 表4.1 受料倉(cāng)與給料機(jī)各階固有頻率 (單位：HZ) 階 數(shù) 頻 率 階 數(shù) 頻 率 1 15.655 11 25.797 2 15.681 12 25.800 3 16.586 13 25.832 4 17.123 14 26.741 5 21.145 15 27.211 6 21.660 16 27.578 7 21.682 17 27.604 8 21.879 18 28.756 9 23.633 19 28.758 10 25.795 20 28.763 本節(jié)通過(guò)對(duì)受料倉(cāng)與給料機(jī)的鋼結(jié)構(gòu)的有限元?jiǎng)恿W(xué)模型的模態(tài)分析，算出了該受料倉(cāng)與給料機(jī)的鋼結(jié)構(gòu)的前20階固有頻率和前3階振型圖。通過(guò)振型圖和動(dòng)畫顯示，可以很直觀地分析受料倉(cāng)與給料機(jī)的鋼結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能，為受料倉(cāng)與給料機(jī)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。前3階振型圖。 圖4.1 受料倉(cāng)與給料機(jī)的第1階振型圖 圖4.2 受料倉(cāng)與給料機(jī)的第2階振型圖 圖4.3受料倉(cāng)與給料機(jī)的第3階振型圖 4.2破碎平臺(tái)與控制室的固有頻率和振型圖 對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的有限元模型的求解，一般不需要求出振動(dòng)系統(tǒng)的全部固有頻率和振型，由于低階模態(tài)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)振動(dòng)系統(tǒng)的影響較大，因此本文僅計(jì)算了前20階模態(tài)。振動(dòng)模態(tài)分析用于求出結(jié)構(gòu)自然頻率和模態(tài)形狀，也稱固有頻率和主振型。如表4.1。 表4.1 破碎平臺(tái)與控制室各階固有頻率 (單位：HZ) 階 數(shù) 頻 率 階 數(shù) 頻 率 1 5.6001 11 11.073 2 7.1065 12 11.102 3 9.4384 13 11.226 4 10.021 14 12.181 5 10.196 15 12.285 6 10.888 16 12.287 7 11.039 17 12.287 8 11.047 18 12.287 9 11.064 19 12.288 10 11.066 20 12.288 圖4.4破碎平臺(tái)與控制室的第1階振型 圖4.5破碎平臺(tái)與控制室的第2階振型 圖4.6破碎平臺(tái)與控制室的第3階振型 34