龍門式鋼結構的受力變形與動態響應分析

陳園園

龍門式鋼結構的受力變形與動態響應分析

陳園園

龍門結構占地面積小，可快速拆卸安裝，寬度、高度可分級調節，當鋼架構設計合理時，能承受從100～5000kg重量。龍門結構也可以多樣變化,如在龍門結構上組合擰緊功能單元,就是一臺擰緊機,組合搬運的機械手,就是一臺搬運機, 龍門結構還可長可短,某汽車生產廠家有一條1000米的長龍門和18臺搬運機械手組成的搬運生產線,生產節拍為61s,從節拍、占地、能效上來說,龍門結構尤其適用于車間設備或工件的安裝、搬運、調試等工位。龍門的長度和剛性、穩定性成反比，要設計好龍門結構就需要分析鋼結構的受力變形和進行動態影響分析。

龍門式鋼架設計；設計探討; 受力分析

1 當前龍門式鋼架設計中存在的問題

汽車生產線工廠主要結構體系一般為門式鋼架結構，以大型立柱型材起主要支撐作用，小型薄壁式型材呈網格狀空間結構焊接在立柱上，兩個立柱之間的跨度一般為9～36m；當焊裝設備如擰緊機懸掛在鋼結構型材上工作時，容易引起鋼結構網較大的變形，同時隨之引起鋼結構的動態響應，產生振動。客戶作業人員在施工時，因擰緊機位置上的鋼結構的變形和動態響應，會對焊裝設備結構設計產生較大的質疑，從而對擰緊機影響鋼結構的變形及動態響應進行分析，量化焊裝設備對鋼結構的影響，為結構設計提供依據。

2 鋼結構分析模型

本文中的舉例分析為擰緊機和龍門的組合。如項目上有兩臺擰緊機安裝在汽車生產線工廠龍門式鋼結構跨度為12m的小型工字鋼上，分別為飛輪和HEAD擰緊機。飛輪擰緊機設備總重為362kg，其中運動部分的重量為132kg，下降運行的速度為100mm/s，加減速時間為0.2s；HEAD擰緊機設備總重為349kg，其中運動部分的重量為95kg，下降運行的速度為100mm/s，加減速時間也為0.2s。

根據擰緊機工作和不工作時對鋼結構的受力，取擰緊機工作的運行沖擊系數β為1.3。

表1 飛輪擰緊機靜載荷與動載荷

表2 HEAD擰緊機靜載荷與動載荷

計算擰緊機加減速產生的載荷，工作因沖擊引起的動載荷，得到飛輪和HEAD擰緊機對鋼結構的靜載荷與動載荷分別見表1和表2所示。

按客戶工廠的鋼結構模型，建立殼單元的有限元模型，對幾何模型進行細節處理，采用四邊形單元劃分網格，可以使得模型能夠均勻傳遞力，不容易產生畸變。鋼結構模型節點數為629545個，單元數為616530個。對擰緊機滑軌則采用一維梁單元進行建模，節約模型的計算資源。

鋼結構在計算中固定約束鋼結構的連接端點A、B、C、D、E、F、G和H，加載位置則根據擰緊機在工作時位于鋼結構梁上不同的位置，取最變形量最大的軌道中間位置。因此，根據約束和載荷可組合靜態和動態兩種工況，同時進行鋼結構的瞬時動力分析，測量鋼結構在飛輪和HEAD擰緊機位置上的變形量和動態響應。

3 鋼結構的變形量

按以上約束和載荷計算兩種工況下鋼結構的變形，得到動載荷工況下鋼結構的變形云圖如圖1所示。其中鋼結構在靜態載荷作用下，飛輪擰緊機垂向為Y方向上的最大變形量Umax=-5.08mm，最小變形量為Umin=2.72mm；HEAD擰緊機垂向為Y方向上的最大變形量Umax=-6.63mm，最小變形量為Umin=3.55mm；鋼結構在兩種載荷作用下相對變形量分別為△Umax=1.55mm，△Umin=0.83mm。從設計限定的1/1000的擾度為12mm來看，擰緊機工作的影響都在鋼結構彈性限度要求內。

圖1 鋼結構在擰緊機動載下變形云圖

4 鋼結構的動態響應

瞬態動力學分析是確定承受任意隨時間變化載荷結構的動力學響應的一種方法，可以分析結構在穩態載荷、瞬態載荷和簡諧載荷及組合作用下，位移、應變及應力隨時間變化的情況。載荷和時間的相關性使得慣性力和和阻尼作用明顯。如果慣性力和阻尼作用不明顯，即可以用靜力學代替瞬態分析。瞬態動力學的基本運動方程為：

式中：

[M]——質量矩陣；

[C]——阻尼矩陣；

[K]——剛度矩陣；

[u]——節點加速度向量；

[u]——節點速度向量；

[u]——節點位移向量。]

若給定任意時間t，方程（1）可看作是一系列考慮了慣性力[][]Mu和阻尼力[][]C u的靜力學平衡方程。

為了節約計算機計算資源，只取飛輪和HEAD擰緊機加減速時間為0.2s，總的運行時間為1.5s，設鋼結構的阻尼比γ=0.2，粘性阻尼W=300N/ (mm/s)，鋼結構系統質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣則由軟件從殼單元和一維單元模型中自動解算，節點加速度、速度和位移向量則由擰緊機作用點的載荷譜開始，求解鋼結構各個節點的加速度、速度和位移。計算得到飛輪和HEAD擰緊機Y向位移時間曲線如圖2和3所示。得到飛輪擰緊機工作過程中的振動幅度F=0.35mm，HEAD擰緊機工作過程中的振動幅度F=0.49mm。

圖2 飛輪擰緊機Y向位移時間曲線

圖3 HEAD擰緊機Y向位移時間曲線

根據擰緊機靜載和動載下鋼結構最大變形差為1.55mm，工作過程中最大振動幅度為0.49mm，勻速運行時振動幅度較小為0.2mm，可以認為擰緊機的工作引起鋼結構的變形量和振動幅度是很微量的。

5 結語

通過上文的計算分析，可以看出，在設計龍門式鋼結構時，需要進行受力變形與動態響應分析，以確保龍門結構的鋼性和穩定性。

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TU393

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1671-0711（2017）04（下）-0093-02