風壓作用下氣候實驗室超大型門體強度分析

雷 凱，王彬文，任戰(zhàn)鵬，吳敬濤

(中國飛機強度研究所,陜西 西安 710065)

0 引言

我國目前建成最大的氣候環(huán)境實驗室凈尺寸達到60 m×72 m×22 m,可以實現(xiàn)低溫、高溫、溫度-濕度、淋雨、吹風、凍雨/積冰試驗、降雪、降霧、太陽輻照等氣候的模擬。氣候實驗室試驗對象主要針對整架飛機,通常將飛機固定在氣候實驗室地面,考核在各類極端氣候環(huán)境下的適應性。在實驗室氣候試驗中,大門系統(tǒng)是各種試驗件和實驗設備安全進出氣候實驗室的主要途徑。飛機具有較大的翼展,其中我國C919型號民機的翼展達到35.8 m,美國C-5軍用運輸機翼展達到67.8 m。為了保證氣候實驗室能更多的滿足我國現(xiàn)役及未來型號飛機氣候試驗中的尺寸要求,減少由于門體限制帶來的試驗空間浪費,因此要求門體實現(xiàn)的開口尺寸應不小于實驗室在該方向的凈尺寸。針對該超大型門體結構,GB 50009—2001建筑結構荷載規(guī)范中規(guī)定[1],應考慮風荷載的體型系數(shù)、風壓高度變化系數(shù)、陣風系數(shù),同時要考慮局部風壓體形系數(shù)等對大門結構的影響,保證門體剛度、強度和穩(wěn)定性。此外,氣候實驗室模擬的溫度范圍為-55 ℃～+74 ℃,并在極端溫度下保溫時間通常超過24 h,因此大門系統(tǒng)對實驗室運行的經(jīng)濟性以及模擬的氣候環(huán)境的穩(wěn)定性方面發(fā)揮著巨大作用。為了保證大門系統(tǒng)具備良好的密封保溫性能,需要門體結構變形更小來避免大門與建筑四周、門扇之間出現(xiàn)縫隙,對門體的設計提出了更高的要求。

針對氣候實驗室超大型門體,通常要求其保溫性能和結構強度滿足設計要求。在保溫性能研究方面,文獻[2]提出了變軌運行,單軌排布的門體布局設計以及雙重充氣密封結構設計方法,解決高/低溫環(huán)境下實驗室大門的保溫與密封問題。在結構強度研究方面,由于該門體和飛機機庫大門在外形、承載等方面較為相似,可以借鑒機庫大門的強度研究方法進行分析。目前開展的研究包括:陳旭華等[3]通過有限元分析方法對風載作用下的變形和應力進行分析,驗證了結構強度。姜宏志[4]采用工程算法對大門主結構龍骨、下承重軌道和行走輪的強度進行分析。孫生環(huán)等[5]采用ANSYS有限元軟件先對柔性機庫大門橫梁結構進行三維建模,驗證了其強度。郭鵬等[6]通過有限元方法對北京A380機庫大門桁架進行了降高度分析,提出了超大跨度機庫屋蓋大門桁架優(yōu)化設計方案。在大門施工技術方面,池敏華[7]研究了大型鋼結構機庫大門現(xiàn)場安裝施工流程。紀曉鵬等[8]研究了A330機庫大門的施工方法。此外,針對大型試驗廠房的門體強度分析,張安等[9]設計了輕鋼結構大門骨架結構,并給出了施工方案。

可以看出,針對大型門體結構強度分析及施工開展了大量的研究工作,在載荷分析中主要采用建模仿真及工程算法。本文針對氣候實驗室超過70 m的開口,采用4扇門體組合方式設計了大門系統(tǒng),針對單個門體的結構強度,基于GB 50009—2001建筑結構荷載規(guī)范相關要求,通過有限元仿真方法對門體結構剛度、強度、穩(wěn)定性和吊裝方案中的受力形式進行分析,并驗證了大門地軌系統(tǒng)承載能力。本研究可以為大型門體結構耐風壓強度設計提供參考。

1 氣候實驗室門體結構總體設計

實驗室洞口尺寸為78 m(寬)×22 m(高),大門系統(tǒng)由4個門扇組成,如圖1所示。單個門體尺寸為20 m(寬)×24 m(高),均可獨立運動,大門立柱為大門全高,底部有受力橫梁,寬度為整扇門寬。主框架構件材質采用Q235-B鋼材,由不同形狀截面的鋼型梁組焊而成,截面主要有7類,如圖2所示。表1給出了7類截面具體形式,其中,門扇四周骨架采用H型鋼,材料為Q235C,門扇充分應用斜拉,防止自重引起下沉,對角斜拉材料采用厚8 mm直徑為219 mm圓形鋼管。大門采用優(yōu)質承重地軌承受重力和風荷載,通過兩條軌道實現(xiàn)開啟/關閉,軌道采用QU120重軌,型號為U71Mn,地軌安裝于深度約為1 m的地坑內。

2 大型門體強度仿真分析

2.1 門體結構承載計算

大門承受的主要荷載為風荷載及自重荷載,根據(jù)GB 50009—2001建筑結構荷載規(guī)范,風載荷按照式(1)進行計算。

Wk=βgzμsμzWo

(1)

其中,Wk為風載荷標準值,kN/m2;βgz為陣風系數(shù);μs為風載荷體型系數(shù);μz為風壓高度變化系數(shù);Wo為基本風壓,依據(jù)按全國基本風壓圖,選取西安50年一遇的風壓,該值為350 N/m2。

大門所在地區(qū)地面粗糙度類別為B類,依據(jù)標準中給出的參考值,該大門風載計算中相關系數(shù)的選取如表2所示。

表2 氣候實驗室門體結構風載計算相關參數(shù)選取

大門迎風面最大距地面高度為22 m,通過對表1中數(shù)據(jù)進行擬合得到風載計算相關參數(shù)和距地面高度的多項式函數(shù)關系式,如圖3所示(階數(shù)取3)。

采用插值法得到22 m高的陣風系數(shù)βgz和風壓高度變化系數(shù)μz分別為1.678和1.311。在大門風載計算中,將大門按照距地面高度的范圍劃分為5個區(qū)域,分別為0 m～5 m,5 m～10 m,10 m～15 m,15 m～20 m,20 m～22 m,各區(qū)域內按照高度上限選取各系數(shù)的值以增加大門安全系數(shù),計算得到大門承受的最大風載。

2.2 門體結構剛度和強度分析

大門門扇內側采用冷庫板以滿足保溫要求,從里向外分別為200 mm聚氨酯冷庫板,200 mm聚氨酯發(fā)泡板,最外側為50 mm聚氨酯墻面板。其中,門板之間采用內掛鉤形式連接。為了模擬保溫材料自重對大門承載的影響,將保溫材料的自重以集中力載荷方式均布在鋼結構掛鉤上。通過有限元分析軟件space gass建立單個門扇鋼結構的數(shù)值模型如圖4所示。

將鋼結構自重載荷和風壓載荷以及保溫材料重力載荷施加到模型中,邊界條件采用上下部簡支,得到大門鋼架結構的應力和變形如圖5所示,最大變形區(qū)域的局部變形數(shù)據(jù)如圖6所示。得到門體結構最大MISES應力為127 MPa,沿厚度最大變形為53 mm。

GB 50017—2017鋼結構設計規(guī)范附錄B“結構或構件的變形容許值”相關規(guī)定,Q235鋼的屈服強度為225 MPa,高于門體鋼結構的最大應力,安全系數(shù)達到1.77。墻架構件在風載荷未考慮陣風系數(shù)的情況下,撓度容許值按照式(2)進行計算。

[vQ]=l/400

(2)

其中,[vQ]為撓度容許值;l為受彎構件的跨度,其值為24 000 mm。得到撓度容許值為60 mm。當陣風系數(shù)設置為1時,得到門體結構在最大組合載荷下沿厚度最大變形為30.81 mm。為了保證門體的密封保溫性能,設計要求結構變形比標準要求提高1.5倍,該大門結構在變形容許值中的安全系數(shù)達到1.95,滿足設計要求。

通過上述分析可知門體鋼架結構剛度和強度滿足設計要求。

2.3 門體結構穩(wěn)定性分析

由于框架柱因與橫梁等其他構件在上下節(jié)點處相連接,一根柱子的失穩(wěn)必然帶動相鄰構件的變形,因此有關框架柱的穩(wěn)定問題就必須把整個框架作為研究對象,而不是單獨拿出一根柱子來考慮。在穩(wěn)定性分析中,考慮風荷載和門體自重及外裝飾板等的重量,計算采用全過程跟蹤方法對門體結構的整體穩(wěn)定性進行分析,得到安全系數(shù)為11.6。本大門在穩(wěn)定性設計中,要求安全系數(shù)不低于5,因此該結構穩(wěn)定性滿足設計要求。

2.4 門體吊裝強度分析

該門體主要通過吊裝方式實現(xiàn)在氣候實驗室的安裝,吊裝主要方案為:

1)采用兩輛伸縮起重機進行雙起重機提升,并將一輛起重機停在底梁處,用于在提升過程中為門底部提供額外的支持。

2)將特殊設計的起重梁提升至門扇處,并在門長2/3處通過螺栓將其連接在門扇上,使用“D”型掛鉤和鏈條將起重梁直接連接在起重機臂上。

3)使用起重機將門扇移動到升降位置處。當將門扇放置于指定位置,從而使起重梁正對相應的底部軌道。開始實際主起重程序。

4)向兩輛起重機司機發(fā)出指令,緩慢并勻速地提升,確保鋼制材料不會發(fā)生嚴重的扭轉。當門扇被升起時,將門底部滾至機庫開口處。底部的起重機將移動門扇,確保一直對底梁給予支持。

5)將頂部牽引滑輪和保護架引導入其相應的軌道內。當門達到其垂直位置時,底部起重機將其松開,以確保其垂直懸掛。兩輛主起重機將門降低,放在底部軌道上,并逐步松開,使門扇自由站立。

圖7為門體吊裝過程示意圖,為檢查吊裝方案是否正常,先將大門框架吊離地面100 mm～200 mm,停留一段時間并檢查門框重心是否合適,拖拉繩是否受力。本文對該過程的受力進行仿真分析,保證吊裝時變形和應力滿足設計要求。

吊裝過程中主要受到重力載荷,由拖拉繩在設計吊點承受相應的支反力,其中單個門體自重為50 t。建立吊裝過程的受力分析有限元仿真模型,得到變形結果如圖8所示。得到鋼結構最大Mises應力為42 MPa,小于材料的屈服強度215 MPa;最大變形為20 mm,小于設計要求的60 mm。此外,起吊鋼絲繩受到的最大拉力為180 kN,小于其需用拉力1 740 kN,安全系數(shù)達到9.7,滿足具有6倍以上安全系數(shù)的設計要求。

3 地軌系統(tǒng)強度仿真分析

3.1 地軌軌道強度分析

地軌采用U71Mn鋼,材料屬性如表3所示。選取地軌截面進行應力分析,建立有限元模型得到載荷作用下的應力分布如圖9所示。可以看出,最大Mises應力為263 MPa,變形為0.3 mm,滿足結構強度和剛度要求。

表3 地軌用鋼材料屬性

3.2 行走輪強度分析

每個門扇在底部有2個安裝在圓錐輥子軸承上的重型600 mm直徑雙翼緣鋼質軌道輪子支撐,大門自重為50 t,得到單個輪壓為25 000 kg。輪子用淬火硬化的含碳0.45%鋼(歐洲等級080 M40)。行走輪最大擠壓應力計算公式如式(3)所示,其強度應滿足式(4)。

(3)

其中,Nc為輪壓,其值為25 000 kg;b為軌道寬度,其值為80 cm;D為行走輪直徑,其值為60 cm。計算得到式(4),可以看出滿足強度要求。

σmax=5 103 kg/cm2<[σj]1=6 500 kg/cm2

(4)

行走輪踏面疲勞強度應滿足式(5)。

Pc≤[Pc]=K1DLC1C2

(5)

其中,Pc為踏面疲勞載荷,其值為25 000 kg;[Pc]為許用應力;K1為應力常數(shù),根據(jù)機械設計手冊,其值為5.6;D為行走輪直徑,其值為600 mm;L為接觸長度,其值為80 cm;C1為轉速系數(shù),其值為1.17;C2為工作級別系數(shù),其值為1。通過式(6)可知,踏面疲勞載荷小于許用載荷,其強度滿足設計要求。

Pc=250 000 N≤[Pc]=
5.6×600×80×1.17×1=314 496 N

(6)

4 結論

本文以我國最大的氣候實驗室大門系統(tǒng)為研究對象,通過有限元軟件space gass建立其鋼架結構強度分析仿真模型,并通過工程算法驗證地軌組成結構的強度。研究表明:大門鋼架結構剛度、強度和穩(wěn)定性滿足要求,可以承受所在地區(qū)50年一遇的風壓載荷;吊裝方案中鋼繩索安全系數(shù)大于6,滿足承載能力要求;地軌鋼截面、行走輪設計符合強度要求。