基于有限元法的某加工棚鋼構(gòu)靜態(tài)特性分析 *

左芳君，劉平平，李剛俊，張慧潔

(成都工業(yè)學(xué)院 智能制造學(xué)院，四川 成都 611730)

0 引 言

加工棚屬于一種常見(jiàn)的鋼結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于建筑施工工地，由于其工作地點(diǎn)常見(jiàn)于野外，容易遭遇大風(fēng)等惡劣天氣，因此，在設(shè)計(jì)安裝加工棚時(shí)非常有必要考察結(jié)構(gòu)在風(fēng)載荷作用下的強(qiáng)度特性。強(qiáng)度特性屬于靜態(tài)特性分析的一種，工程上能夠用于結(jié)構(gòu)靜態(tài)特性分析的方法有很多，有限元法便是應(yīng)用最為廣泛的方法之一。李劍英等人[1]和文廣等人[2]分別利用有限元軟件ANSYS分析了某電動(dòng)車和某桁架式門式起重機(jī)的靜態(tài)特性。錢忠杰等人[3]、張?jiān)雒艿热薣4]和周瑞等人[5]分別借助有限元軟件ANSYS Workbench對(duì)某落地鏜銑床的y向雙驅(qū)進(jìn)給系統(tǒng)、叉車轉(zhuǎn)向橋和某圓柱凸輪傳動(dòng)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的靜態(tài)特性進(jìn)行了分析。姜子钘等人[6]則基于有限元法分析了某摩擦焊機(jī)主軸系統(tǒng)的靜態(tài)特性。楊威等人[7]使用有限元仿真方法對(duì)某滑枕的靜態(tài)特性展開了分析。嚴(yán)曉麗等人[8]利用NX Nastran仿真軟件對(duì)某甘蔗深松旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)機(jī)架開展了靜力學(xué)分析。筆者選用有限元軟件ANSYS對(duì)某工地安裝使用的加工棚鋼構(gòu)的靜態(tài)特性展開分析，分析結(jié)果為鋼構(gòu)的安全使用提供了理論依據(jù)。

1 加工棚鋼構(gòu)有限元模型

文中的分析對(duì)象為某工地使用的鋼筋加工棚鋼構(gòu)，該鋼構(gòu)安裝于地面上，使用時(shí)可能會(huì)遇到八級(jí)大風(fēng)。該鋼構(gòu)主體結(jié)構(gòu)材料為Q235B鋼，其材料特性參數(shù)如表1所列，在進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)，引入安全系數(shù)1.34，則該材料的許用應(yīng)力為175 MPa。分析前，利用有限元軟件建立其有限元模型，考慮到該鋼構(gòu)主要為細(xì)長(zhǎng)的型鋼組合而成，文中選擇使用梁?jiǎn)卧猙eam188來(lái)模擬整個(gè)鋼構(gòu)，該鋼構(gòu)網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖1所示，整個(gè)模型共有243個(gè)單元，127個(gè)節(jié)點(diǎn)。

表1 Q235B鋼材料特性參數(shù)

圖1 加工棚鋼構(gòu)有限元模型

2 加工棚鋼構(gòu)靜態(tài)特性分析

文中主要分析某加工棚鋼構(gòu)在以下三種工況下的靜態(tài)特性：①工況一：八級(jí)大風(fēng)從側(cè)面吹向鋼構(gòu)，同時(shí)考慮鋼構(gòu)自身重力的影響；②工況二：八級(jí)大風(fēng)從正面吹向鋼構(gòu)，同時(shí)考慮鋼構(gòu)自身重力的影響；③工況三：八級(jí)大風(fēng)從背面吹向鋼構(gòu)，同時(shí)考慮鋼構(gòu)自身重力的影響。

文中計(jì)算的風(fēng)壓大小參考《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)起重運(yùn)輸機(jī)械遭遇八級(jí)大風(fēng)時(shí)的計(jì)算風(fēng)壓數(shù)值，取500 Pa。

2.1 工況一

按照工況一的載荷組合進(jìn)行約束和加載，具體的載荷和約束如下：①約束鋼構(gòu)底部所有關(guān)鍵點(diǎn)的全部自由度；②在鋼構(gòu)側(cè)面所有節(jié)點(diǎn)上施加風(fēng)載荷大小(將側(cè)面迎風(fēng)面所受風(fēng)載荷按節(jié)點(diǎn)力均勻施加到側(cè)面所有節(jié)點(diǎn)上)；③通過(guò)施加重力加速度來(lái)模擬重力的作用。約束和加載后的有限元模型如圖2所示。

圖2 工況一加載后的有限元模型

分析計(jì)算完成后，通過(guò)定義BEAM188輸出結(jié)果單元表來(lái)提取鋼構(gòu)的單元應(yīng)力。圖3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分別給出了工況一下結(jié)構(gòu)的單元拉壓應(yīng)力云圖、繞單元y軸正方向的彎曲應(yīng)力云圖、繞單元y軸負(fù)方向的彎曲應(yīng)力云圖、繞單元z軸正方向的彎曲應(yīng)力云圖、繞單元z軸負(fù)方向的彎曲應(yīng)力云圖。

圖3工況一靜態(tài)分析結(jié)果

從圖3可以看出，結(jié)構(gòu)承受的最大拉應(yīng)力為7.816 MPa，最大壓應(yīng)力為5.979 MPa；結(jié)構(gòu)單元繞y軸正向彎曲拉應(yīng)力最大值為57.274 MPa，彎曲壓應(yīng)力最大值為56.291 MPa；結(jié)構(gòu)單元繞y軸負(fù)向彎曲拉應(yīng)力最大值為56.291 MPa，彎曲壓應(yīng)力最大值為57.274 MPa；結(jié)構(gòu)單元繞z軸正向彎曲拉應(yīng)力最大值為4.646 MPa，彎曲壓應(yīng)力最大值為4.644 MPa；結(jié)構(gòu)單元繞z軸負(fù)向彎曲拉應(yīng)力最大值為4.644 MPa，彎曲壓應(yīng)力最大值為4.646 MPa。上述單元應(yīng)力值均小于材料許用應(yīng)力。

2.2 工況二

按照工況二的載荷組合進(jìn)行約束和加載，具體的載荷和約束如下：①約束鋼構(gòu)底部所有關(guān)鍵點(diǎn)的全部自由度；②在鋼構(gòu)正面所有節(jié)點(diǎn)上施加風(fēng)載荷大小(將正面迎風(fēng)面所受風(fēng)載荷按節(jié)點(diǎn)力均勻施加到側(cè)面所有節(jié)點(diǎn)上)；③通過(guò)施加重力加速度來(lái)模擬重力的作用。約束和加載后的有限元模型如圖4所示。

圖4 工況二加載后的有限元模型

工況二下結(jié)構(gòu)的單元拉壓應(yīng)力云圖、繞單元y軸正方向的彎曲應(yīng)力云圖、繞單元y軸負(fù)方向的彎曲應(yīng)力云圖、繞單元z軸正方向的彎曲應(yīng)力云圖、繞單元z軸負(fù)方向的彎曲應(yīng)力云圖分別如圖5(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示。

圖5可看出，結(jié)構(gòu)承受的最大拉應(yīng)力為7.792 MPa，最大壓應(yīng)力為5.975 MPa；結(jié)構(gòu)單元繞y軸正向彎曲拉應(yīng)力最大值為57.367 MPa，彎曲壓應(yīng)力最大值為56.457MPa；結(jié)構(gòu)單元繞y軸負(fù)向彎曲拉應(yīng)力最大值為56.457 MPa，彎曲壓應(yīng)力最大值為57.367 MPa；結(jié)構(gòu)單元繞z軸正向彎曲拉應(yīng)力最大值為4.683 MPa，彎曲壓應(yīng)力最大值為4.68 MPa；結(jié)構(gòu)單元繞z軸負(fù)向彎曲拉應(yīng)力最大值為4.68 MPa，彎曲壓應(yīng)力最大值為4.683 MPa。上述單元應(yīng)力值也均小于材料許用應(yīng)力。

圖5 工況二靜態(tài)分析結(jié)果

2.3 工況三

按照工況三的載荷組合進(jìn)行約束和加載，具體的載荷和約束如下：①約束鋼構(gòu)底部所有關(guān)鍵點(diǎn)的全部自由度；②在鋼構(gòu)背面所有節(jié)點(diǎn)上施加風(fēng)載荷大小(將背面迎風(fēng)面所受風(fēng)載荷按節(jié)點(diǎn)力均勻施加到側(cè)面所有節(jié)點(diǎn)上)；③通過(guò)施加重力加速度來(lái)模擬重力的作用。約束和加載后的有限元模型如圖6所示。

圖6 工況三加載后的有限元模型

工況三下結(jié)構(gòu)的單元拉壓應(yīng)力云圖、繞單元y軸正方向的彎曲應(yīng)力云圖、繞單元y軸負(fù)方向的彎曲應(yīng)力云圖、繞單元z軸正方向的彎曲應(yīng)力云圖、繞單元z軸負(fù)方向的彎曲應(yīng)力云圖分別如圖7(a)～(e)所示。

圖7 工況三靜態(tài)分析結(jié)果

圖7可看出，結(jié)構(gòu)承受的最大拉應(yīng)力為7.791 MPa，最大壓應(yīng)力為5.975 MPa；結(jié)構(gòu)單元繞y軸正向彎曲拉應(yīng)力最大值為57.367 MPa，彎曲壓應(yīng)力最大值為56.457 MPa；結(jié)構(gòu)單元繞y軸負(fù)向彎曲拉應(yīng)力最大值為56.457 MPa，彎曲壓應(yīng)力最大值為57.367 MPa；結(jié)構(gòu)單元繞z軸正向彎曲拉應(yīng)力最大值為4.683 MPa，彎曲壓應(yīng)力最大值為4.681 MPa；結(jié)構(gòu)單元繞z軸負(fù)向彎曲拉應(yīng)力最大值為4.681 MPa，彎曲壓應(yīng)力最大值為4.683 MPa。上述單元應(yīng)力值也均小于材料許用應(yīng)力。

3 加工棚鋼構(gòu)穩(wěn)定性分析

鋼構(gòu)結(jié)構(gòu)所有桿件在工作時(shí)主要承受壓力和彎曲的共同作用，因此，對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性進(jìn)行分析時(shí)可將其看成受彎矩和壓力共同作用的梁，其穩(wěn)定性按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：N為作用在構(gòu)件上的軸向力；φ為穩(wěn)定性系數(shù)；可以參考起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范中的相關(guān)表格中數(shù)據(jù)。A為構(gòu)件橫截面面積；My、My、Mz、Mz為構(gòu)件承受的彎矩及截面彎曲系數(shù)；[σ]為構(gòu)件材料的許用應(yīng)力。

利用公式(1)分別對(duì)文中的三種計(jì)算工況下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。查起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范GB/T3811-2008得桿件穩(wěn)定性系數(shù)的最小值為φ=0.119，為了使計(jì)算結(jié)果更保守，文中就取穩(wěn)定性系數(shù)為φ=0.119。

工況一時(shí)，最大拉壓應(yīng)力值為7.816 MPa，單元繞y軸彎曲應(yīng)力最大值為57.274 MPa，單元繞z軸彎曲應(yīng)力最大值為4.646 MPa，將工況一下的各應(yīng)力計(jì)算值代入式(1)得到結(jié)構(gòu)桿件的穩(wěn)定性分析結(jié)果如下：

7.816/0.119+57.274+4.646=127.6 MPa≤[σ]

=175 MPa

(2)

工況二時(shí)，最大拉壓應(yīng)力值為7.792 MPa，單元繞y軸彎曲應(yīng)力最大值為57.367 MPa，單元繞z軸彎曲應(yīng)力最大值為4.683 MPa，將工況二下的各應(yīng)力計(jì)算值代入式(1)得到結(jié)構(gòu)桿件的穩(wěn)定性分析結(jié)果如下：

7.792/0.119+57.367+4.683=127.53 MPa≤[σ]

=175 MPa

(3)

工況三時(shí)，最大拉壓應(yīng)力值為7.791 MPa，單元繞y軸彎曲應(yīng)力最大值為57.367 MPa，單元繞z軸彎曲應(yīng)力最大值為4.683 MPa，將工況三下的各應(yīng)力計(jì)算值代入式(1)得到結(jié)構(gòu)桿件的穩(wěn)定性分析結(jié)果如下：

7.791/0.119+57.367+4.683=127.52 MPa≤[σ]

=175 MPa

(4)

從式(2)～(4)中計(jì)算的結(jié)果可以看出，桿件的穩(wěn)定性滿足使用要求。

4 結(jié) 論

以某工地使用的鋼筋加工棚鋼構(gòu)為例，對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)特性分析，通過(guò)分析計(jì)算得出如下主要結(jié)論：

(1) 在三種計(jì)算工況載荷作用下，整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的單元應(yīng)力值均小于材料許用應(yīng)力。

(2) 該鋼結(jié)構(gòu)所有桿件的穩(wěn)定性均滿足使用要求。

(3) 分析結(jié)果對(duì)該加工棚鋼構(gòu)的使用安全性的評(píng)估提供了理論依據(jù)，也為其他同類結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性分析提供了參考。