基于Femap &NX Nastran的大型吊具金屬結(jié)構(gòu)分析

摘 要：以808噸吊具金屬結(jié)構(gòu)為分析對(duì)象，以Femap NX Nastran為有限元分析平臺(tái)，對(duì)其吊重過(guò)程中的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行有限元計(jì)算，掌握吊具滿載情況下的應(yīng)力分布情況，以達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化與提高產(chǎn)品質(zhì)量，并提供設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：808噸吊具金屬結(jié)構(gòu) Femap NX Nastran 有限元計(jì)算

中圖分類號(hào)：TH215 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）010-092-02

1 概述

在吊裝工程中，經(jīng)常使用吊具，橋梁施工中吊具設(shè)計(jì)尤為重要，而關(guān)于大型非標(biāo)吊具設(shè)計(jì)缺乏相應(yīng)的規(guī)范和參考資料。本文采用Femap NX Nastran為有限元分析軟件，對(duì)其吊重過(guò)程中的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行有限元計(jì)算，掌握吊具滿載情況下的應(yīng)力分布情況，并提供設(shè)計(jì)參考。808噸吊具主要應(yīng)用于某工程混凝土箱梁的吊裝。吊具自重約45噸，最大吊重808噸。其金屬結(jié)構(gòu)主要由：鋼絲繩、錨箱、連接桁架、拉板及下橫梁等部件組成。

2 計(jì)算模型建立

采用有限元計(jì)算軟件Femap NX Nastran建立吊具整體計(jì)算模型，錨箱與上部定滑輪之間采用鋼絲繩連接，鋼絲繩采用ROD單元模擬；錨箱與下部拉板之間采用銷軸連接，下部拉板與下橫梁之間采用銷軸連接，錨箱、拉板、下橫梁和銷軸均采用體單元模擬；錨箱與拉板之間銷軸、拉板與下橫梁之間銷軸建立接觸單元，摩擦系數(shù)取0.15；中部桁架及連接平聯(lián)采用梁?jiǎn)卧M；上錨座的銷軸采用梁?jiǎn)卧M；水平桁架與錨座之間的連接均采用RBE2模擬；由于吊具對(duì)稱，兩端的支撐位置對(duì)稱，故建立1/2模型，計(jì)算模型如圖1所示。

約束條件說(shuō)明：在吊裝時(shí)，上部定滑輪組固定，簡(jiǎn)支梁塊兩端落在下橫梁上，整個(gè)吊具的中部建立節(jié)點(diǎn)的對(duì)稱約束，下橫梁上平面限制Z軸方向位移（假設(shè)下橫梁與808t混凝土梁的接觸面不存在滑動(dòng)）。

模型中所加荷載：下橫梁為體單元，劃分網(wǎng)格之前，在下橫梁上表面分割出受力區(qū)域，然后在下橫梁分割表面添加404t載荷（不考慮動(dòng)載系數(shù)）。

3 整體穩(wěn)定性分析

在無(wú)風(fēng)狀態(tài)下，在重物梁與下橫梁的接觸區(qū)域添加404t載荷，一階模態(tài)下的Eigenvalue 1 1.5454，屈曲固有值為4040000，對(duì)應(yīng)的臨界載荷系數(shù)為6243416，理論上，無(wú)風(fēng)狀態(tài)下，緩慢情況下起吊1248t載荷時(shí)，桁架發(fā)生失穩(wěn)。在實(shí)際使用中，吊具的最大吊重為80t，小于一階失穩(wěn)載荷。圖2為吊具對(duì)稱模型的整體變形圖。

桁架中部最大豎直位移為128.6mm，連接錨座處最大豎直位移43mm，中部相對(duì)兩邊下繞85.6mm，桁架總長(zhǎng)約36000mm，桁架的剛度約為1/416。

4 主要部件應(yīng)力分析

4.1 連接桁架強(qiáng)度計(jì)算

連接桁架由H型鋼和角鋼焊接而成，與錨座之間通過(guò)法蘭連接，材質(zhì)為Q235B；在實(shí)際受力中，由于上部鋼絲繩之間存在夾角，連接桁架受垂直于主桿件方向的彎矩，上部主桿件受壓，下部桿件受拉，桁架腹桿受由于主桿件變形引起的軸向力。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，主梁平聯(lián)在荷載組合作用時(shí)受力最不利。圖3為桁架中部應(yīng)力圖。

桁架最大組合應(yīng)力為-130Mpa（受壓），小于容許應(yīng)力159MPa，桁架強(qiáng)度滿足要求。

4.2 錨箱、拉板和下橫梁強(qiáng)度計(jì)算

假設(shè)起吊過(guò)程中，重物梁與下橫梁之間沒(méi)有滑動(dòng)（在分析模型中，添加銷軸與耳板孔之間的摩擦系數(shù)0.3）。

沉箱的底面位于下橫梁上方，由于沉箱較長(zhǎng)，兩端支承在下橫梁上，從整體上來(lái)看，可看作簡(jiǎn)支受力，分析時(shí)添加均布載荷在沉箱與下橫梁上。

下橫梁與拉桿之間通過(guò)銷軸鉸接，銷軸與下橫梁之間和銷軸與拉桿之間均為接觸單元；上部錨箱與拉板之間通過(guò)銷軸鉸接，由于實(shí)際當(dāng)中拉板受平行于銷軸方向的水平力，拉板的變形中存在平行于銷軸方向的位移。

從分析結(jié)果來(lái)看，錨箱整體受力均為，在鋼絲繩與錨箱連接處，桁架與錨箱的連接處，拉板與錨箱的連接處存在局部的應(yīng)力集中；拉板的整理受力均為，拉板與錨箱的連接處和拉板與下橫梁的連接處銷孔存在應(yīng)力集中；下橫梁中部受力較大，向兩邊應(yīng)力逐漸減少，在下橫梁與拉板的連接處，存在局部擠壓，有應(yīng)力集中。圖4為錨箱、下橫梁及拉板的整體受力應(yīng)力拉板和錨箱的整體應(yīng)力均在230Mpa以內(nèi)；拉板在混凝土梁長(zhǎng)度方向上，中部相對(duì)于兩端的相對(duì)位移約為5mm，建議讓拉板在旋轉(zhuǎn)90度后受力，使得拉板僅受拉力，避免不可控因素。

5 結(jié)論

本文利用大型有限元分析軟件Femap NX Nastran對(duì)808t吊具在額定載荷下的金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得出該結(jié)構(gòu)整體滿足屈曲穩(wěn)定性要求，并有較大安全裕度，連接桁架中部下繞過(guò)大。結(jié)構(gòu)除銷軸部位應(yīng)力集中引起超應(yīng)力外，其它部位值都低于其材料的許用應(yīng)力。

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