某水電站主機房橋機主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

摘要：該文主要是使用Hypermesh對橋機主梁結(jié)構(gòu)進行前處理，然后使用ABAQUS軟件對橋機主梁的1/2模型進行求解。獲得全局模型結(jié)果后，對重點關(guān)注的主梁變截面位置利用圣維南原理，并結(jié)合ABAQUS中的子模型方法進行二次建模。將全局模型中簡化的螺栓、接觸等連接關(guān)系按照實際情況建立，再進行應(yīng)力分析并與實測數(shù)據(jù)比較。通過有限元計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)來對該型橋機運行狀況進行評估。

關(guān)鍵詞：ABAQUS? ?子模型? ?主梁? 應(yīng)力

中圖分類號：O328;TB535+.1? ? ? ?文獻標識碼：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

采用子模型法對全局模型進行細化分析，排除部分模型簡化帶來的不確定性，對于工程應(yīng)用有較大的應(yīng)用價值。

1工程背景

某水電站主機房橋機為箱型梁結(jié)構(gòu)，為20世紀70年代投入使用，如圖1所示。截止2021年已達到設(shè)計壽命，考慮到水電站安裝間主機房橋機拆裝較困難，經(jīng)濟成本高。因此對該橋機進行應(yīng)力測試，并進行有限元計算，兩者進行比較核驗該型橋機運行狀況。

2有限元模型建立

采用Solidworks建立橋機主梁的三維簡化模型，并采用Hypermesh對模型進行網(wǎng)格劃分，建立有限元模型。由于該型橋機主梁為對稱結(jié)構(gòu)，故本文只建立1/2模型，橋機主梁和部分端梁共采用438 444個單元，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，同時經(jīng)查詢圖紙，該橋機主梁材料為16Mn，計算中采用塑性階段曲線，如圖3所示。

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

對照原設(shè)計圖紙及機械設(shè)計手冊對橋機主梁進行加載，該軌道與橋機主梁接觸寬度為150 mm。同時根據(jù)原設(shè)計圖紙橋機最大載荷為400 t，且小車對稱并位于橋機主梁跨中位置，小車輪分布如圖5所示。

3計算結(jié)果

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

當小車位于主梁跨中時，且橋機主梁只承受設(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，位于橋機主梁跨中。在橋機主梁僅受設(shè)備自重情況下拐角處焊縫應(yīng)力最大點為65.026 MPa，具體見圖8。

（2）小車在橋機主梁跨中，且起吊400 t載荷時計算結(jié)果。

計算結(jié)果如圖9所示，該橋機主梁在400 t起重且小車位于主梁跨中位置時，最大應(yīng)力為373 MPa，也為螺栓處為集中應(yīng)力點，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。該處對應(yīng)現(xiàn)場實際部位見圖11。

對該處部位建立子模型[4-5]分析，考慮螺栓預(yù)緊力[6-9]對焊縫處應(yīng)力影響，螺栓尺寸為M36，8.8級高強螺栓。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。按照實際貼片位置對該處單元積分點進行應(yīng)力取值可得貼片處單元積分點應(yīng)力最大為166.551 MPa，見圖14。

4測試

4.1 測點布置

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

4.2 結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力測試

試驗時，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，讀取各測點應(yīng)變值，然后對數(shù)據(jù)進行計算得出各測點部位的測試應(yīng)力值。靜態(tài)應(yīng)力檢測計算結(jié)果見表2。

有限元計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，與實測應(yīng)力101.5 MPa基本一致，確定該結(jié)構(gòu)有限元計算結(jié)果無誤。從計算及測試結(jié)果分析該主機房橋機在實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

該文采用有限元對橋機主梁結(jié)構(gòu)進行計算，并采用子模型法對變截面處進行了網(wǎng)格細化分析。同時利用電阻應(yīng)變片對結(jié)構(gòu)進行實測，對實測結(jié)果與有限元結(jié)果進行比較，兩者數(shù)值吻合。子模型法對于實際工程較有借鑒意義，可便于細化所關(guān)注部位網(wǎng)格，并進行進一步分析。

參考文獻

[1] 李磊.門式起重機走行軌新型固定裝置的研制與應(yīng)用[D].成都：西南交通大學(xué)，2020.

[2] 任鑫.冶金起重機主梁靜力學(xué)與裂紋擴展研究[D].馬鞍山：安徽工業(yè)大學(xué)，2019.

[3] 曹金鳳，石亦平.ABAQUS有限元分析常見問題解答[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009：22-62.

[4] 張彩霞，萬朝燕，謝素明.基于子結(jié)構(gòu)技術(shù)的貨車車體有限元分析[J].鐵道車輛，2009，47（1）：11-14，48.

[5] OBBINK-HUIZER C.Use Submodeling in Abaqus to Focus on Region of Larger Model[EB/OL].（2017-08-14）.https：//info.simuleon.com/blog/using-submodeling-in-abaqus-to-focus-on-a-region-of-interest-in-a-larger-model.

[6] 李樹勛，尹會全，趙敏捷，等.LNG超低溫球閥的螺栓預(yù)緊力分析[J].華南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2021，49（7）：142-148.

[7] 桂學(xué)文，張京東，廖日東.螺栓預(yù)緊過程的有限元仿真研究[J].強度與環(huán)境，2021，48（6）：9-16.

[8] 陳芳琪.夾心式換能器有限元仿真精度研究[D].天津：天津大學(xué)，2019.

[9] 何文杰，王學(xué)軍，李彥.基于ABAQUS的螺栓法蘭連接預(yù)緊接觸分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2021，59（12）：159-162.

作者簡介：孫世威（1986—），男，碩士，高級工程師，研究方向為鋼結(jié)構(gòu)。