鋼結構有限元分析

鋼結構有限元分析,鋼結構,有限元分析 3 破碎平臺的鋼結構有限元分析 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程中充分應用了并行過程，料倉與給料機和破碎平臺與控制室兩部分是基本上同時建立起來的，破碎平臺和控制室兩部分是屬于同一個模型，應該分別建立。由于承載核心部件破碎機的是破碎平臺，所以先從破碎平臺開始建立模型，再定義材料、單元類型、截面形狀還要兼顧后續(xù)進程。 圖3.1 為破碎站右視圖，一共有四層的結構：第一層，放置傳送帶，傳送帶把破碎機破碎下來的物料運走，第二層，放置核心部件破碎機器，第三層和第四層，主要是放置破碎機。最頂層有控制室和起重機。 圖3.1 破碎站右視圖 破碎站鋼結構的彈性模量E＝200000MPa，泊松比m=0.3，質量密度r=7.8×10-3kg/cm3。破碎站由支撐件H型鋼和斜支撐(角鋼)組成。在結構離散化時，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，而且無其它方向的彎矩，所以H型鋼用梁單元模擬，角鋼用桿單元模擬。 破碎站是由料倉與給料機和破碎平臺與控制室兩部分組成，故分別對這兩部分進行計算。離散后，破碎平臺和控制室共1055個單元，其中梁單元999個，桿單元56個，節(jié)點總數(shù)1008個，整體限元模型如圖3.2所示。 圖3.2 破碎平臺和控制室有限元模型 這個模型的破碎平臺是主要承載，破碎機自重載荷、最大驅動扭矩、物料沖擊載荷、上罩和下溜槽自重載荷和破碎機動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程中，控制單元長度大致是控制室的一半，這樣保證重要部位的精度，同時也符合網(wǎng)格劃分的粗精結合的基本原則。 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，起重設備及起重載荷、控制室載荷、走道平臺載荷、結構風荷載等。破碎站鋼結構立柱底部與基礎相連，故立柱底部按固定端處理，即每根立柱底端的6個自由度都加以約束。破碎平臺與上部控制室采用鉸接連結，故破碎平臺與上部控制室在模型中采用特殊的方法進行連接。破碎平臺的重要部分如下圖3.3 破碎平臺的有限元模型，共408個單元，420個節(jié)點。 在建立模型的過程中H型鋼和斜支撐(角鋼)的連接處的節(jié)點坐標，應該進行必要的記錄和嚴格的控制。最忌諱到后期要建立新的連接的時候，發(fā)現(xiàn)沒有合適的節(jié)點。因為當單元部分建立好的時候，后加節(jié)點，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因為單元號的改變而移動位置，嚴重情況會導致加的載荷難以再修改，再進行重新加載荷非常麻煩。 圖3.3 破碎平臺的有限元模型 3.2載荷等效計算 3.2.1主要結構截面幾何參數(shù) 破碎站主要結構采用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 破碎平臺結構載荷 主要結構斷面形式 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 破碎機自重載荷：70000kg 破碎機動力載荷：垂直載荷系數(shù)：電機側1.8；非電機側1.55 水平載荷系數(shù):0.25 最大驅動扭矩：50kN-m；（過載扭矩）：300kN-m 物料沖擊載荷（或堵料載荷）：12000kg 走道平臺載荷：按500kg/m2考慮 結構風荷載：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 支撐結構自重載荷：25000kg 控制室及起重維護結構載荷 主要結構斷面形式 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 起重設備及起重載荷：10000kg（其中設備5000kg；起重量5000kg） 控制室載荷：8000kg 走道平臺載荷；按300kg/m2考慮 結構風荷載：按0.6kN/m2考慮 地震載荷：地震烈度8度 支撐結構自重載荷：15000kg 3.2.2破碎平臺實際等效計算結果 風載荷 數(shù)值q1y＝0.789498(N/mm) 位置：-z方向的迎風梁。 數(shù)值q1x＝0.84872(N/mm) 位置：-x方向迎風梁。 破碎機自重載荷 數(shù)值：q2z＝182.20588(N/mm) 位置：非電機側支撐梁。 數(shù)值：q2z＝218.23529(N/mm) 位置：電機側支撐梁。 數(shù)值：q2x＝36.02941(N/mm) 位置：方向與風載荷相同，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：破碎機支撐梁。 起重設備及起重載荷 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合處。 數(shù)值q5＝24.000(N/mm) 破碎平臺的走道平臺載荷。 數(shù)值：q6＝4.96671(N/mm) 位置：控制室頂層橫梁。 控制室走道平臺載荷 第一層走道平臺長其載荷。 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長相同。 數(shù)值：F＝12981.6(N) 位置：如圖3.5。 控制室頂層走道平臺載荷。 數(shù)值：q＝＝19.440(N/mm) 位置：如圖3.5。 圖3.5 破碎平臺的載荷圖 3.3有限元分析結果 3.3.1破碎平臺與控制室整體位移 分析變形是材料力學中一種重要的應變分析（還包括轉角等），位移計算結果如下。由于風載荷在y-z平面的作用面積很大，在頂層的z向梁和其它兩個方向的梁相比較較長，最大位移位于結構頂層，位移值為7.233mm，在破碎平臺頂層的兩根梁，變形也較大，因為它承載起重設備及起重載荷、控制室載荷、走道平臺載荷、-z向的結構風荷載等，如圖3.6所示。 圖3.6 破碎平臺和控制室整體變形 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方向結構剛度較大，故y方向位移較小，其最大值為-4.574mm，位于破碎平臺頂層的那兩根上，主要由起重設備及起重載荷、控制室載荷、走道平臺載荷引起；z方向最大位移為-1.426mm，位于破碎平臺的橫梁上，它是由風載荷引起的，所以最小。 3.3.2頂層橫梁結果 通過觀察整體的彎曲應力圖發(fā)現(xiàn)由沿著工字鋼中間平面彎矩引起的最大應力部位為位于破碎平臺頂層的那兩根上，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稱性是由于風載荷引起的，最小值是-0.4×108 N/mm。 圖3.7控制室頂層橫梁局部坐標y軸的彎矩圖 相對應的應力為,最大值為39.697 MPa。最小的值是-52.812 MPa，出現(xiàn)的位置與對應的彎矩出現(xiàn)的位置相同。 圖3.8 控制室頂層橫梁局部坐標y軸彎曲應力圖 3.2.3破碎機支撐梁結果 對于其底部的兩根承載破碎機器的那兩根梁，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z軸的彎矩圖 最危險的位置是在與垂直方向上相接觸的那一點上，這里的要接觸兩個大型工字鋼和四個斜支撐，這樣更容易產(chǎn)生應力集中。由于結構的對稱性，兩根鋼梁的最值相同。所以校核一根就可，它的應力也是出現(xiàn)在相同的位置，最小的應力是-51.525MPa，最大價值35.509MPa。 圖3.8 控制室頂層橫梁局部坐標z軸彎曲應力圖 3.2.4破碎機立柱計算結果 工字鋼的軸向拉伸也是應該考慮的，最大的拉力是在迎風面的控制室的鉛直梁上，它的最大軸向力，如圖3.11是84919N,對應的最大軸向應力， 圖3.11 破碎平臺立柱軸向力圖 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鉸接處。最大的應力為12.7025MPa。它的值不是很大，但是由于是鉸接處，對于分析還是很有意義的。 圖3.128 破碎平臺立柱軸向應力圖 30