基于有限元的行車(chē)鋼梁懸掛加載優(yōu)化及強(qiáng)度分析

錢(qián)彬彬

（沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司， 遼寧 沈陽(yáng) 110000）

0 引言

某企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，打造智能車(chē)間，提出以現(xiàn)有車(chē)間行車(chē)鋼梁為基礎(chǔ)，在其下側(cè)懸掛安裝智能設(shè)備，經(jīng)過(guò)驗(yàn)算鋼梁強(qiáng)度不足，在豎直方向抗彎強(qiáng)度足夠，而在鋼梁截面方向抗扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度不足。 基于此將對(duì)鋼梁及其懸掛組件提出的加強(qiáng)補(bǔ)強(qiáng)優(yōu)化方案，并進(jìn)行強(qiáng)度分析。本文對(duì)補(bǔ)強(qiáng)后的實(shí)際工況進(jìn)行合理簡(jiǎn)化及建模， 采用有限元法進(jìn)行仿真計(jì)算， 為企業(yè)項(xiàng)目安全實(shí)施及補(bǔ)強(qiáng)方案實(shí)施提供有力的理論指導(dǎo)，有極大的安全生產(chǎn)意義。

1 輸入條件

1.1 鋼梁及負(fù)載參數(shù)

現(xiàn)場(chǎng)行車(chē)鋼梁截面見(jiàn)圖1，單根鋼梁長(zhǎng)8.1m。 懸掛機(jī)構(gòu)與鋼梁下翼緣板采用壓板連接， 軌道與懸掛機(jī)構(gòu)采用螺栓連接。 通過(guò)實(shí)際工況測(cè)繪進(jìn)行三維模型建立及有限元分析約束客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備總重6.842t，為四點(diǎn)支撐平穩(wěn)落在雙側(cè)軌道上，見(jiàn)圖2；鋼梁為通過(guò)長(zhǎng)寬及材質(zhì)估算重為0.95t；行吊自重及起重負(fù)載共2.7t。 通過(guò)質(zhì)心與四支點(diǎn)位置關(guān)系[1]，結(jié)合力學(xué)公式換算，四個(gè)滑輪的輪壓值見(jiàn)表1。

表1 自動(dòng)化設(shè)備自重載荷（N）

圖1 鋼梁參數(shù)

圖2 自動(dòng)化設(shè)備重心位置

行車(chē)鋼梁上側(cè)的DEMAG 行吊與自動(dòng)化設(shè)備不同時(shí)運(yùn)行， 因此在自動(dòng)化設(shè)備結(jié)構(gòu)分析時(shí)不考慮DEMAG 設(shè)備的動(dòng)載荷，即不考慮水平橫向載荷與水平縱向載荷，并且不考慮DEMAG 負(fù)載。 對(duì)自動(dòng)化設(shè)備重量及行吊重量進(jìn)行力學(xué)拆解分析，依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》[12]要求計(jì)算得到表2 的分析載荷表。

表2 分析載荷

1.2 優(yōu)化方案

受空間限制， 自動(dòng)化設(shè)備的四支撐滾輪在軌道的接觸點(diǎn)較鋼梁中性面存在偏心，導(dǎo)致鋼梁承受偏載。原鋼梁設(shè)計(jì)使用并未考慮下翼板的抗扭性能， 故需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)優(yōu)化[2]，見(jiàn)圖3。

圖3 鋼梁及懸掛機(jī)構(gòu)優(yōu)化圖

（1）對(duì)廠房端部懸掛機(jī)構(gòu)腹板加厚，由原16mm 增加到30mm。

（2）懸掛機(jī)構(gòu)與墻體間增加支撐件，抵抗?jié)L輪接觸點(diǎn)偏心導(dǎo)致的部分扭矩[3]。

（3）每個(gè)懸掛機(jī)構(gòu)正上方，鋼梁里外雙側(cè)均增加6mm厚的勁板。

2 模型簡(jiǎn)化及建立

通過(guò)分析自動(dòng)化設(shè)備分別會(huì)停留在三種典型位置，即廠房端部、行車(chē)鋼梁跨中、鋼梁連接處，進(jìn)行鋼梁本體及懸掛機(jī)構(gòu)強(qiáng)度變形分析[4]。

2.1 計(jì)算工況

工字鋼結(jié)構(gòu)分析工況有三個(gè)， 認(rèn)為所有工況均為設(shè)備運(yùn)行急停狀態(tài)：

（1）工況一：新松設(shè)備位于廠房端部。

（2）工況二：新松設(shè)備位于廠房端部工字鋼跨中。

（3）工況三：新松設(shè)備位于牛腿正下方。

強(qiáng)度計(jì)算重點(diǎn)在按優(yōu)化方案建模后， 分析鋼梁整體是否滿(mǎn)足自身強(qiáng)度要求，對(duì)自動(dòng)設(shè)備進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，而其重量均按實(shí)際滾輪的四個(gè)接觸點(diǎn)進(jìn)行布置。 鋼梁材質(zhì)為Q235B鋼；彈性模量：210GPa；泊松比：0.274；角焊縫：160MPa[5]。

2.2 簡(jiǎn)化處理

擇結(jié)構(gòu)端部16m 的區(qū)域進(jìn)行分析 （廠房端部三根牛腿之間）。 由于實(shí)際結(jié)構(gòu)是由鋼板焊接而成，因此建模時(shí)選擇殼單元，部分位置采用梁?jiǎn)卧▽?dǎo)軌）。 焊縫采用殼單元模擬。 螺栓簡(jiǎn)化為MPC 或者短梁。

加固勁板采用焊接方式簡(jiǎn)化處理。 懸掛機(jī)構(gòu)支撐采用螺栓連接，①位置與墻體連接，分析中采用六自由度固定約束； ②位置與懸掛機(jī)構(gòu)腹板連接， 此螺栓可前后移動(dòng)，因此要釋放水平自由度；③位置的頂釘螺栓抵抗懸掛機(jī)構(gòu)水平變形，限制水平平動(dòng)自由度即可。①的墻體連接直接使用SPC 處理， ②③的螺栓采用RBE2 剛性單元處理，并指定自由度，見(jiàn)圖4。

圖4 懸掛機(jī)構(gòu)支撐件螺栓簡(jiǎn)化

懸掛機(jī)構(gòu)的夾板螺栓， 簡(jiǎn)化為MPC 剛性單元[6]；焊縫簡(jiǎn)化為按焊縫寬度創(chuàng)建單元進(jìn)行分析，鋼梁采用殼單元，軌道采用梁?jiǎn)卧?jiàn)圖5。

圖5 有限元模型

3 CAE 模型分析

3.1 變形分析

分析考慮正常使用狀態(tài)下的變形， 因此計(jì)算時(shí)不考慮修正系數(shù)，分析加載的載荷見(jiàn)表1 變形類(lèi)型，變形結(jié)果云圖均為放大500 倍的效果圖[7]。

由圖6 可知（a）工況鋼梁結(jié)構(gòu)最大變形1.63mm，軌道最大為轉(zhuǎn)移側(cè)向0.38mm；（b） 工況鋼梁結(jié)構(gòu)最大變形1.8mm，軌道最大為轉(zhuǎn)移側(cè)向0.37mm；（c）工況鋼梁結(jié)構(gòu)最大變形1.1mm，軌道最大為轉(zhuǎn)移側(cè)向0.28mm。

圖6 鋼梁局部變形圖

綜上最危險(xiǎn)設(shè)備位置時(shí)的最大水平位移不超過(guò)0.4mm，小于自動(dòng)化設(shè)備平穩(wěn)移動(dòng)需求值1mm，滾輪對(duì)軌道沒(méi)有側(cè)向壓力，進(jìn)而加固后的方案，鋼梁在截面方向不在下翼緣板大變形而導(dǎo)致的扭轉(zhuǎn)力矩。

3.2 強(qiáng)度分析

由上節(jié)分析可知，鋼梁、懸掛組件變形量均較小，強(qiáng)度分析則更關(guān)注鋼梁與土建支撐臺(tái)連接位置、 懸掛機(jī)構(gòu)本體、鋼梁本體應(yīng)力大小。分析加載的載荷見(jiàn)表1 強(qiáng)度分析類(lèi)型[9]。 鋼梁整體應(yīng)力圖見(jiàn)圖7。

圖7 鋼梁整體Mises 應(yīng)力圖

廠房端部工況的為鋼梁長(zhǎng)度方向僅有一側(cè)固定支撐，載荷施加在鋼梁和軌道的端部，見(jiàn)圖8（a）。 在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力197MPa，此應(yīng)力為虛假應(yīng)力。 鋼梁在支撐臺(tái)上固定位置，外圈的應(yīng)力111MPa 左右，懸掛機(jī)構(gòu)在140MPa 左右。

同理，該工況分析最大應(yīng)力出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角部位，出現(xiàn)應(yīng)力集中圖中最大應(yīng)力173MPa 位于鋼梁在支撐臺(tái)上固定位置，為虛假應(yīng)力。 外圈真實(shí)應(yīng)力在97MPa 左右，懸掛機(jī)構(gòu)最大應(yīng)力92MPa 左右， 與墻體支撐部位應(yīng)力為124MPa，見(jiàn)圖8（b）。

同理，該工況分析最大應(yīng)力出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角部位，出現(xiàn)應(yīng)力集中圖中最大應(yīng)力130MPa 位于鋼梁在支撐臺(tái)上固定位置，為虛假應(yīng)力。 外圈真實(shí)應(yīng)力在80MPa 左右，懸掛機(jī)構(gòu)最大應(yīng)力103MPa 左右，見(jiàn)圖8（c）。

圖8 工況局部Mises 應(yīng)力圖

3.3 疲勞分析

工字鋼與C 型鉤均為焊接結(jié)構(gòu)， 為了確保結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)使用中不破壞，需要對(duì)其進(jìn)行疲勞分析。自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)壽命5 年， 結(jié)合實(shí)際工藝計(jì)算需往復(fù)運(yùn)行2.2 萬(wàn)次以上。 根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求， 疲勞分析的載荷與變形分析相同[8]。

疲勞分析過(guò)程：首先進(jìn)行靜力分析，然后使用靜力分析結(jié)果進(jìn)行疲勞分析[10]。靜力分析由表3 可得。疲勞分析相關(guān)參數(shù)說(shuō)明：

表3 分析載荷

（1） 載荷變化情況：選取的一個(gè)周期內(nèi)的應(yīng)力比變化為1～0。 近似為加載，不加載，見(jiàn)圖9。

圖9 應(yīng)力變化曲線

（2） 選取的材料參數(shù)：鋼，置信度為向下三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差， 統(tǒng)計(jì)結(jié)果失效概率為0.12%。

三個(gè)工況的疲勞分析結(jié)果分別為表4、表5、表6。由分析數(shù)據(jù)可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)運(yùn)行67.7 萬(wàn)次后，工字鋼與牛腿的焊接處的最大等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力達(dá)到160MPa，此處發(fā)生疲勞破壞[11]。 工況二應(yīng)力圖見(jiàn)圖10。

圖10 工況二應(yīng)力圖

表4 工況一疲勞分析結(jié)果

表5 工況二疲勞分析結(jié)果

表6 工況三疲勞分析結(jié)果

由此可知，在對(duì)工字鋼和C 型鉤進(jìn)行加固后， 自動(dòng)化裝置在正常使用時(shí)的最大水平位移不超過(guò)0.4mm，牛腿支座下沉0.08mm。 強(qiáng)度分析時(shí)牛腿支座應(yīng)力111MPa 左右，C 型鉤140MPa 左右，C 型鉤與墻體連接處

4 安裝調(diào)試

在以上計(jì)算分析的基礎(chǔ)上對(duì)行車(chē)梁相關(guān)輔件進(jìn)行加工制造及安裝調(diào)試， 并開(kāi)發(fā)大負(fù)載多單元的控制集成系統(tǒng)，完成現(xiàn)場(chǎng)的安裝調(diào)試，見(jiàn)圖12。

圖12 現(xiàn)場(chǎng)加固后完成施工圖

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試， 測(cè)得軌道綜合定位精度達(dá)±1mm，滿(mǎn)足了自動(dòng)化設(shè)備的精度要求，同時(shí)不影響原行車(chē)使用，極大滿(mǎn)足客戶(hù)生產(chǎn)需要，完成老廠自動(dòng)化改造，生產(chǎn)效能提升，為企業(yè)創(chuàng)造新的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

對(duì)行車(chē)鋼梁及懸掛組件按文中加固優(yōu)化建模后，通過(guò)有限元仿真計(jì)算。 遵循如下原則，加固鋼梁，提高抗扭剛度；軌道水平面內(nèi)增加水平支撐，以減小偏心載荷產(chǎn)生的水平位移，可有效降低鋼梁最大應(yīng)力值。 分析可知：

（1）鋼梁及軌道最大側(cè)向位移不超過(guò)0.4mm，滿(mǎn)足設(shè)備運(yùn)行設(shè)計(jì)需求。

（2）鋼梁在支撐臺(tái)固定位置應(yīng)力111MPa 左右，懸掛機(jī)構(gòu)140MPa 左右， 懸掛機(jī)構(gòu)與墻體連接處應(yīng)力為124MPa，均滿(mǎn)足各項(xiàng)指標(biāo)。

（3）設(shè)備停留在土建支撐臺(tái)位置時(shí)，懸掛機(jī)構(gòu)增加背撐，鋼梁承受設(shè)備的豎向載荷，此處結(jié)構(gòu)剛性較大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平偏高。

（4）給鋼梁增加勁板、加厚懸掛機(jī)構(gòu)腹板、懸掛機(jī)構(gòu)與墻體增加支撐的加固方案能大幅度降低鋼梁最大應(yīng)力值。