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 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