某水電站主機(jī)房橋機(jī)主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

摘要：該文主要是使用Hypermesh對(duì)橋機(jī)主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行前處理，然后使用ABAQUS軟件對(duì)橋機(jī)主梁的1/2模型進(jìn)行求解。獲得全局模型結(jié)果后，對(duì)重點(diǎn)關(guān)注的主梁變截面位置利用圣維南原理，并結(jié)合ABAQUS中的子模型方法進(jìn)行二次建模。將全局模型中簡(jiǎn)化的螺栓、接觸等連接關(guān)系按照實(shí)際情況建立，再進(jìn)行應(yīng)力分析并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較。通過有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來對(duì)該型橋機(jī)運(yùn)行狀況進(jìn)行評(píng)估。

關(guān)鍵詞：ABAQUS? ?子模型? ?主梁? 應(yīng)力

中圖分類號(hào)：O328;TB535+.1? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： This paper mainly uses Hypermesh to pre-process the girder structure of the bridge crane， and then uses ABAQUS software to solve the 1/2 model of the girder of the bridge crane. After the global model results are obtained，? the variable section position of the girder that is paid close attention to is conducted? secondary modeling by using the Saint-Venant principle and combining with the sub-model method in ABAQUS. The simplified connection relationships such as bolts and contacts in the global model are established according to the actual situation， then the stress analysis is carried out and compared with the measured data， and the operation status of the bridge crane is evaluated through the finite element calculation results and measured data .

Key Words：? ABAQUS；Sub-model; Main girder; Stress

采用子模型法對(duì)全局模型進(jìn)行細(xì)化分析，排除部分模型簡(jiǎn)化帶來的不確定性，對(duì)于工程應(yīng)用有較大的應(yīng)用價(jià)值。

1工程背景

某水電站主機(jī)房橋機(jī)為箱型梁結(jié)構(gòu)，為20世紀(jì)70年代投入使用，如圖1所示。截止2021年已達(dá)到設(shè)計(jì)壽命，考慮到水電站安裝間主機(jī)房橋機(jī)拆裝較困難，經(jīng)濟(jì)成本高。因此對(duì)該橋機(jī)進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，并進(jìn)行有限元計(jì)算，兩者進(jìn)行比較核驗(yàn)該型橋機(jī)運(yùn)行狀況。

2有限元模型建立

采用Solidworks建立橋機(jī)主梁的三維簡(jiǎn)化模型，并采用Hypermesh對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立有限元模型。由于該型橋機(jī)主梁為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故本文只建立1/2模型，橋機(jī)主梁和部分端梁共采用438 444個(gè)單元，單元類型采用S4R殼單元，單元尺寸為20 mm，單元質(zhì)量如圖2所示。

模型采用t、mm、s、N、MPa、N-mm單位制。其中材料參數(shù)為：密度ρ=7.85e-9 t/mm3，彈性模量E=2.08e5、泊松比0.3，重力加速度為g=9.8e3t/s2，同時(shí)經(jīng)查詢圖紙，該橋機(jī)主梁材料為16Mn，計(jì)算中采用塑性階段曲線，如圖3所示。

根據(jù)大車行走機(jī)構(gòu)圖，建立部分大車行走機(jī)構(gòu)，并對(duì)大車行走輪的軸進(jìn)行y軸平移自由度進(jìn)行約束，其余均放開[1-2]。同時(shí)考慮該部位結(jié)構(gòu)在主梁與大車行走機(jī)構(gòu)按照實(shí)際螺栓位置進(jìn)行rb2約束，其余均以接觸進(jìn)行模擬。由于本模型采用1/2模型進(jìn)行計(jì)算，因此在對(duì)稱面處采用z軸對(duì)稱約束[3]。如圖4所示。

對(duì)照原設(shè)計(jì)圖紙及機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)對(duì)橋機(jī)主梁進(jìn)行加載，該軌道與橋機(jī)主梁接觸寬度為150 mm。同時(shí)根據(jù)原設(shè)計(jì)圖紙橋機(jī)最大載荷為400 t，且小車對(duì)稱并位于橋機(jī)主梁跨中位置，小車輪分布如圖5所示。

3計(jì)算結(jié)果

（1）單獨(dú)考慮小車位于主梁跨中時(shí)，設(shè)備自重帶來的橋機(jī)主梁應(yīng)力及變形結(jié)果，具體見圖6。

當(dāng)小車位于主梁跨中時(shí)，且橋機(jī)主梁只承受設(shè)備自重，最大應(yīng)力為80.55 MPa，為主梁端部行走平臺(tái)花紋鋼板處，具體見圖7，該部位屬于附屬設(shè)施，應(yīng)力集中可忽略。最大位移為5.232 mm，位于橋機(jī)主梁跨中。在橋機(jī)主梁僅受設(shè)備自重情況下拐角處焊縫應(yīng)力最大點(diǎn)為65.026 MPa，具體見圖8。

（2）小車在橋機(jī)主梁跨中，且起吊400 t載荷時(shí)計(jì)算結(jié)果。

計(jì)算結(jié)果如圖9所示，該橋機(jī)主梁在400 t起重且小車位于主梁跨中位置時(shí)，最大應(yīng)力為373 MPa，也為螺栓處為集中應(yīng)力點(diǎn)，最大變形為25.9 mm。其中最大應(yīng)力位置位于主梁與大車行走輪連接處。其中圓弧段應(yīng)力在主梁中屬于較大值。

圓弧焊縫處最大應(yīng)力為297 MPa，具體見圖10。該處對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際部位見圖11。

對(duì)該處部位建立子模型[4-5]分析，考慮螺栓預(yù)緊力[6-9]對(duì)焊縫處應(yīng)力影響，螺栓尺寸為M36，8.8級(jí)高強(qiáng)螺栓。采用螺栓材料為40Cr。截取的子模型有限元模型見圖12。

子模型計(jì)算結(jié)果與全局模型比較見圖13，可以看出子模型在應(yīng)力及變形均與全局模型吻合。按照實(shí)際貼片位置對(duì)該處單元積分點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力取值可得貼片處單元積分點(diǎn)應(yīng)力最大為166.551 MPa，見圖14。

4測(cè)試

4.1 測(cè)點(diǎn)布置

本次結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試共布置30片電阻應(yīng)變計(jì)。應(yīng)變計(jì)主要布置在主梁、端梁、小車架、吊鉤橫梁等主要受力構(gòu)件布置應(yīng)力測(cè)點(diǎn)。具體測(cè)點(diǎn)分布見表1、圖15。

4.2 結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力測(cè)試

試驗(yàn)時(shí)，小車位于跨中，無吊載載荷，作為初始零位。然后起吊載荷約400 t使之離地100～200 mm高度，懸停待額定載荷靜止后，讀取各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得出各測(cè)點(diǎn)部位的測(cè)試應(yīng)力值。靜態(tài)應(yīng)力檢測(cè)計(jì)算結(jié)果見表2。

有限元計(jì)算在貼片處位置最大應(yīng)力值為166.551 MPa，扣除自重導(dǎo)致的應(yīng)力為65.026 MPa，應(yīng)力值為101.53 MPa，與實(shí)測(cè)應(yīng)力101.5 MPa基本一致，確定該結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算結(jié)果無誤。從計(jì)算及測(cè)試結(jié)果分析該主機(jī)房橋機(jī)在實(shí)際使用過程中最大應(yīng)力，變形均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，符合繼續(xù)使用條件。

5結(jié)語

該文采用有限元對(duì)橋機(jī)主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，并采用子模型法對(duì)變截面處進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化分析。同時(shí)利用電阻應(yīng)變片對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)測(cè)，對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果與有限元結(jié)果進(jìn)行比較，兩者數(shù)值吻合。子模型法對(duì)于實(shí)際工程較有借鑒意義，可便于細(xì)化所關(guān)注部位網(wǎng)格，并進(jìn)行進(jìn)一步分析。

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作者簡(jiǎn)介：孫世威（1986—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)。