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、風壓高度變化系數、陣風系數,同時要考慮局部風壓體形系數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,因此大門系統對實驗室運行的經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,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;μs為風載荷體型系數;μz為風壓高度變化系數;Wo為基本風壓,依據按全國基本風壓圖,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,依據標準中給出的參考值,該大門風載計算中相關系數的選取如表2所示。

表2 氣候實驗室門體結構風載計算相關參數選取

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

采用插值法得到22 m高的陣風系數βgz和風壓高度變化系數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的值以增加大門安全系數,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)域的局部變形數據如圖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,安全系數達到1.77。墻架構件在風載荷未考慮陣風系數的情況下,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,得到安全系數為11.6。本大門在穩(wěn)定性設計中,要求安全系數不低于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,安全系數達到9.7,滿足具有6倍以上安全系數的設計要求。

3 地軌系統強度仿真分析

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?？梢钥闯?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,根據機械設計手冊,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,其值為1.17;C2為工作級別系數,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。