大跨度門式剛架結(jié)構(gòu)的有限元分析

1、第24卷第6期2008年12月機(jī)械設(shè)計(jì)與研究Machine Design and Research Vol .24No .6Sec .,2008 收稿日期:2008-08-04文章編號(hào):100622343(2008062072203大跨度門式剛架結(jié)構(gòu)的有限元分析馬曉明1,2,姚振強(qiáng)1(1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海200240,E 2mail:;2.常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇常州213164摘要:通過有限元分析軟件ANSYS 對(duì)某生產(chǎn)車間大跨度門式剛架結(jié)構(gòu)的有限元建模方法進(jìn)行了討論,并對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)做了非線性靜力學(xué)分析,得到了門式剛架結(jié)構(gòu)在最不利工況下的應(yīng)力及應(yīng)變分布圖,給出了關(guān)鍵構(gòu)

2、件強(qiáng)度和剛度的分析結(jié)果,并根據(jù)分析結(jié)果提出了改進(jìn)方法和建議。關(guān)鍵詞:ANSYS;有限元建模;大跨度;門式剛架結(jié)構(gòu)中圖分類號(hào):T H 213.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AF i n ite Elem en t Ana lysis of Large Span Port a l Fram e Structure Ba sed on ANS Y SMA Xiao 2m ing 1,2,Y AO Zhen 2qiang1(1.Shanghai J iao Tong University,Shanghai 200240,China;2.Changzhou Textile Gar ment I nstitute,JS

3、Changzhou 213164,China;Abstract:This paper discusses modeling method of finite ele ment about large s pan portal fra me structure in a cer 2tain workshop,and perf or m s the non 2linear static analysis of this structure by using ANSYS .By the analysis,the distri 2buti on map s of the stress and the

4、strain,and analysis result of strength and stiffness of maj or components are gotten,under the xorst working conditi on .Some i m p r oved method and suggesti on are als o p r oposed .Key words:ANSYS;finite ele ment;large s pan;portal fra mestructure圖1門式剛架結(jié)構(gòu)起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖裝配線用大跨度門式剛架結(jié)構(gòu)行車是一種與電動(dòng)葫蘆配套使用的輕小型起重設(shè)

5、備,固定安裝在地基上,用于吊運(yùn)零部件,在生產(chǎn)中,可有效減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,較大地提高工作效率。因其結(jié)構(gòu)簡單,成本低,安裝、使用、維修方便,在企業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。由于行車的幾何結(jié)構(gòu)和載荷比較復(fù)雜,在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選型過程中,只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定其參數(shù),缺乏精確的強(qiáng)度計(jì)算方法,安全系數(shù)往往取的過大,造成了設(shè)備結(jié)構(gòu)不優(yōu)化、經(jīng)濟(jì)性低等問題。下面利用大型有限元分析軟件ANSYS,以某企業(yè)用于裝配線的大跨度門式剛架結(jié)構(gòu)行車為例,對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了非線性靜力學(xué)分析,得出結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移分布云圖。利用應(yīng)力和位移圖,在設(shè)計(jì)中就能關(guān)注應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)和結(jié)構(gòu)中剛度薄弱的部位,為進(jìn)一步改善結(jié)構(gòu)受力情況,改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)等提供了理論依

6、據(jù)。1幾何模型建立和模型簡化有限元法是一種近年來應(yīng)用較為成功,較為廣泛的數(shù)值計(jì)算方法,尤其適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析。在有限元分析中,有限元模型的建模精度對(duì)于分析結(jié)果的影響很大,建模的工作量有時(shí)占整個(gè)工作量的80%以上2,模型的好壞甚至決定了分析結(jié)果是否具有應(yīng)用價(jià)值,是否可以指導(dǎo)實(shí)踐。1.1結(jié)構(gòu)分析該門式剛架結(jié)構(gòu)行車整體結(jié)構(gòu)參見圖1。主要由兩個(gè)單門式剛架通過三根剛性聯(lián)系梁和三根工字鋼連接組成,輔以斜撐和鋼絲繩提高剛性和強(qiáng)度,梁下安裝K BK 型橋式導(dǎo)軌和電動(dòng)油葫蘆完成吊運(yùn)工作。如圖1中,每個(gè)單門剛架由兩個(gè)格構(gòu)式立柱和一個(gè)格構(gòu)式主橫梁組成。立柱由支撐主橫梁的格構(gòu)式柱(100×100

7、15;4方管焊接和固定鋼絲繩拉索的單根100×100×5方管兩部分組成。格構(gòu)式主橫梁(100×100×4方管焊接由三節(jié)組成,左、右節(jié)長度各為5.85m,中節(jié)為4.8m,總跨度約16.5m。主橫梁節(jié)與節(jié)之間、主橫梁與立柱之間通過端板,用高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接。兩組鋼絲繩在門架兩端牽拉橫梁,斜撐(40×60×4方管焊接在立柱和橫梁上,以提高固定鋼絲繩的方管的強(qiáng)度。兩個(gè)單門剛架通過兩端的格構(gòu)式剛性聯(lián)系梁、中間三根工字鋼焊接成為一體,構(gòu)成整個(gè)門式剛架結(jié)構(gòu)行車。整個(gè)結(jié)構(gòu)通過四個(gè)柱底部的端板,利用每端板十個(gè)膨脹螺栓與地基相連,構(gòu)成對(duì)行車的約束。1.2模型

8、簡化及相關(guān)處理采用ANSYS的前處理模塊進(jìn)行建模工作,在建模之前,需對(duì)幾何模型進(jìn)行合理的簡化。在保證分析精度的前提下,為了控制求解計(jì)算規(guī)模,簡化幾何模型,一些小細(xì)節(jié)可不必在模型中體現(xiàn),略去了對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度影響較小的細(xì)節(jié)部分,對(duì)焊接過渡部分也略去不計(jì)。(1總體結(jié)構(gòu)處理雖然行車結(jié)構(gòu)對(duì)稱,但考慮工作中載荷的不對(duì)稱性,其結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力分布并不一定對(duì)稱,故此需要用完整的模型進(jìn)行有限元分析,而在幾何建模過程中,可利用鏡像處理簡化操作。模型中,所有型材、鋼絲繩、螺栓等均用線建模,用AN2 SYS中的SECTI O N功能描述型材的截面特性;連接端板用面建模,用ANSYS中的SECTI O N功能描述端板的厚

9、度、偏移等截面特性。(2焊接部位處理整個(gè)結(jié)構(gòu)主要通過型材焊接而成,在建模過程中,要正確處理焊接關(guān)系?？紤]焊接連接的特點(diǎn),在有限元分析中可近似認(rèn)為是剛性連接,這種假設(shè)通過實(shí)驗(yàn)證明所產(chǎn)生的誤差較小,基本上可以滿足計(jì)算精度2。具體做法是,在兩個(gè)實(shí)體的焊接點(diǎn)處形成共同節(jié)點(diǎn),兩個(gè)實(shí)體在共同節(jié)點(diǎn)處的連接為剛性連接,使之具有相同的自由度,以模擬真實(shí)的焊接效果。(3對(duì)不同功能端板的處理根據(jù)其工作中的受力狀況,采用兩種不同的簡化形式。立柱-地基之間、立柱-橫梁之間的端板為高強(qiáng)螺栓承壓型連接,端板的螺栓孔在建模中略去不計(jì),同時(shí)略去連接端板的螺栓;橫梁的節(jié)-節(jié)之間的端板為高強(qiáng)螺栓摩擦型連接,端板的螺栓孔在建模中保留

10、,并通過兩相對(duì)端板的孔中心建線,以模擬螺栓作用。(4K BK導(dǎo)軌等吊運(yùn)部分的處理K BK導(dǎo)軌等吊運(yùn)部分在幾何建模中將被省略。鋪設(shè)在主橫梁下的K BK橋式導(dǎo)軌的自重通過施加在橫梁上的Pres2 sure(壓力來體現(xiàn);橫向K BK導(dǎo)軌、電動(dòng)葫蘆和載荷等將通過施加在節(jié)點(diǎn)的集中載荷來體現(xiàn)。2有限元模型建立與分析2.1單元類型分析與選擇該門式剛架結(jié)構(gòu)行車主要涉及:型材(梁、柱等、鋼板(連接端板、螺栓、鋼絲繩(斜拉鋼索四類材料。根據(jù)行車各部分受載特征及單元特性,在有限元計(jì)算中,采用梁單元、殼單元、桿單元、質(zhì)量塊單元等進(jìn)行有限元建模。梁柱等結(jié)構(gòu)在工作中承受拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)和彎曲等力的作用,并且具有較大的自重

11、,選擇BE AM188單元進(jìn)行離散。該單元建立在Ti m oshenko梁分析理論基礎(chǔ)上,每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6或7個(gè)自由度,除了具有用一維構(gòu)件近似描述三維實(shí)體結(jié)構(gòu)的梁的主要特征外,還增強(qiáng)了橫截面定義功能,考慮了剪切變形影響,在單元插值函數(shù)中,撓度和截面轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行各自獨(dú)立插值,BE AM188為3D線性梁單元,具有更強(qiáng)的非線性分析功能3。結(jié)構(gòu)中存在承壓型連接和摩擦型連接兩種端板連接形式,端板連接是一種抗彎連接,連接處高強(qiáng)螺栓主要承受軸力和剪力。承壓型連接以受壓為主,模型簡化為兩塊端板剛性連接;摩擦型連接承受較大的剪切作用,工作狀態(tài)下,還產(chǎn)生撬力作用6,模型簡化時(shí)保留螺栓孔,并用梁單元模擬螺栓作用?？紤]梁和

12、端板連接節(jié)點(diǎn)具有相同的自由度,用SHE LL181單元離散端板,用BE AB4單元模擬螺栓作用。SHE LL181適用于薄板、中厚度板的殼結(jié)構(gòu),單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)自由度,單元有強(qiáng)大的非線性功能,并有截面定義功能。鋼絲繩在工作中只承受拉力,選擇L I N K10單元進(jìn)行離散。該單元具有獨(dú)一無二的雙線性剛度矩陣特性,可使其成為一個(gè)軸向僅受拉或僅受壓桿單元。為與真實(shí)鋼絲繩的約束效果相同,設(shè)置使用只受拉選項(xiàng),如果單元受壓,則剛度消失,一根鋼纜用一個(gè)單元來模擬。根據(jù)橫向?qū)к?、電?dòng)葫蘆和載荷在工作中的特點(diǎn),將這部分模型簡化為一個(gè)節(jié)點(diǎn)表示,用MASS21單元離散節(jié)點(diǎn),在計(jì)算中加入重力加速度以產(chǎn)生慣性載荷。門

13、架結(jié)構(gòu)有限元建模中選擇的單元類型見表1。表1單元類型選擇方案梁柱結(jié)構(gòu)工字鋼連接端板螺栓鋼絲繩電動(dòng)葫蘆、載荷BEAM188BEAM188SHELL181BE AM4L I N K10MASS21 2.2截面定義在ANSYS中,自帶有常用型材截面庫。本結(jié)構(gòu)中主要使用了方管和工字鋼兩種型材,通過選擇相應(yīng)截面并按型材規(guī)格賦值,在計(jì)算中將能夠自動(dòng)得到材料的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等力學(xué)特性。為保證梁與端板的焊接位置,用于端板的殼單元SHE LL 181,其截面偏置到端板與梁的接觸面,并以此作為SHE LL 181的底面,建模中要注意面的方向,可以用/ESHAPE,1.0命令觀察模型的渲染效果,以檢查建模的正確性。2.3

14、材料屬性組成行車的型材和端板材料均為Q235A,螺栓材料為45鋼,彈性模量E=2.06×1011Pa,泊松比=0.28,密度為7850kg/m3,許用應(yīng)力為160×106Pa;鋼絲繩為圓股鋼絲繩,彈性模量E=0.725×1011Pa,泊松比=0.28,密度為4841kg/m3。2.4網(wǎng)格劃分幾何模型中包含線和面兩種實(shí)體,端板為面實(shí)體,其余37第6期馬曉明等:大跨度門式剛架結(jié)構(gòu)的有限元分析為線實(shí)體。橫梁方管與端板是通過焊接相連,焊縫為整個(gè)接觸長度。為更好地模擬實(shí)際效果,設(shè)置接觸部分線梁的單元長度與端板相同,以增加與端板的重合節(jié)點(diǎn)數(shù)。其余線實(shí)體都劃分為一個(gè)單元,按表1

15、賦予單元類型及各自的網(wǎng)格屬性,然后劃分網(wǎng)格。 圖2端板網(wǎng)格劃分 圖3整體結(jié)構(gòu)有限元模型端板分為省略孔端板和帶孔端板兩類,考慮網(wǎng)格劃分均勻性,省略孔端板面采用SHE LL 181單元、四邊形單元、映射網(wǎng)格、單元大小0.05m,如圖2a 所示;帶孔端板采用SHE LL 181單元、三角形單元、自由網(wǎng)格、單元大小0.05m,如圖2b 所示。通過上述分析,建立的門式剛架結(jié)構(gòu)行車的有限元模型如圖3所示,劃分網(wǎng)格后共生成節(jié)點(diǎn)2131個(gè),單元2724個(gè)。2.5邊界條件定義為真實(shí)地模擬各部分的裝配效果和連接效果,獲得準(zhǔn)確的分析結(jié)果,結(jié)構(gòu)中主要添加了以下邊界條件。(1螺栓和端板之間的耦合 圖4各種耦合情況為了詳

16、細(xì)了解橫梁節(jié)-節(jié)之間端板連接部分的應(yīng)力應(yīng)變情況,在模型簡化時(shí),假設(shè)了螺栓與端板的連接為剛性連接,忽略了接觸和預(yù)緊的影響。用線表示螺栓,線的端點(diǎn)與端板面的螺栓孔圓周上的節(jié)點(diǎn)耦合(6DOF 約束,以模擬實(shí)際螺栓連接時(shí)螺栓頭部與端板的自由度關(guān)系。如圖4a 所示。(2線(型材與面(板連接點(diǎn)的耦合在幾何建模時(shí),我們將型材、板簡化為線、面,所以幾何模型中線-面的連接點(diǎn)只有一個(gè)節(jié)點(diǎn),而在工程實(shí)際中,連接部位是整個(gè)型材截面與板的焊接。由于有限元分析是通過節(jié)點(diǎn)來傳遞載荷的,如果連接點(diǎn)只是一個(gè)節(jié)點(diǎn),則力的作用集中在一個(gè)點(diǎn)上進(jìn)行傳遞,這與真實(shí)連接情況不符,分析結(jié)果會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。為模擬真實(shí)受力狀況,建立線-面連

17、接的節(jié)點(diǎn)與型材截面邊界尺寸上的節(jié)點(diǎn)耦合(6DOF 約束,使載荷通過型材截面邊界作用在端板上,以獲得更加符合實(shí)際的有限元模型。如圖4b 所示。(3面與面之間的耦合立柱-橫梁之間的端板為高強(qiáng)螺栓承壓型連接,模型簡化為兩塊端板剛性連接,利用ANSYS 的CPCYC 命令,將立柱端板與橫梁端板間對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)耦合,即建立6DOF 約束。如圖4(c 所示。(4模擬工作載荷在模型中建立節(jié)點(diǎn),并定義為質(zhì)量塊單元,將該節(jié)點(diǎn)與橫梁上的承載位置的節(jié)點(diǎn)用CER I G 命令建立約束關(guān)系,電動(dòng)葫蘆和起吊重物等將通過施加在質(zhì)量塊節(jié)點(diǎn)的集中載荷來體現(xiàn)。(5施加約束行車的約束主要由四個(gè)立柱底部的端板組成,端板通過膨脹螺栓與地基相

18、連,有限元模型中,用約束端板面的6DOF 來模擬與地基的連接。3求解與分析行車的最大工作載荷為250kg,在工作中,電動(dòng)葫蘆存在提升重物、橫縱向移動(dòng)重物兩種運(yùn)動(dòng),由于兩種運(yùn)動(dòng)的速度和加速度都較小,故此,在分析中,假設(shè)載荷是靜止或勻速行走的。在這種假設(shè)下,分析中只考慮最大工作載荷和導(dǎo)軌、電動(dòng)葫蘆、門架的自重對(duì)整個(gè)門架結(jié)構(gòu)的影響,而忽略了載荷加速起動(dòng)或制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性載荷影響。對(duì)門架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,計(jì)算結(jié)果應(yīng)力單位為Pa,位移單位取為m 。其中輸出應(yīng)力為von M ises 應(yīng)力,該應(yīng)力是按第四強(qiáng)度理論計(jì)算的等效應(yīng)力;所顯示的vect or su m (位移等值線圖位移是節(jié)點(diǎn)的總位移。當(dāng)電動(dòng)葫

19、蘆位于門架的不同位置時(shí),對(duì)門架進(jìn)行有限元分析。結(jié)果表明,電動(dòng)葫蘆位于跨中位置時(shí),門架中的應(yīng)力及橫梁的撓度值達(dá)到最大,其應(yīng)力分布圖及變形云圖見圖5,圖5a 和b 中的“MX ”位置分別表示“最大合位移”和“最大應(yīng)力”位置。從圖5a 可見,最大位移發(fā)生在門架橫梁的中間部位,其值為12.78×10-3m,固定鋼絲繩的方管的端部位移為6.39×10-3m 。橫梁的跨度為16.5m,則橫梁最大撓度與跨度之比約為0.775/1000。從圖5b 可見,橫梁與立柱連接處應(yīng)力較大,最大應(yīng)力為44.7×106Pa,發(fā)生在橫梁與立柱聯(lián)接處的端板邊緣,如圖6所示為單獨(dú)顯示的產(chǎn)生最大應(yīng)力的

20、端板的應(yīng)力分布圖。圖中SE QV 為第四強(qiáng)度理論下等效應(yīng)力;DMX 為該端板的最大合位移(應(yīng)力云圖中不顯示其位置;S MN 為該端板的SE QV 最小值;S MX 為該端板的SE QV 最大值。(下轉(zhuǎn)第88頁3陳景燁.截面非對(duì)稱輪輞輥壓成形工藝的研究與應(yīng)用J .模具工業(yè),2007,33,(1:2729.4記蓮清.無內(nèi)胎車輪輪輞滾型工藝J .鍛壓機(jī)械,2002,3:2627.5董曉光.微型汽車滾型輪輞工藝的研究J .汽車科技,2004,3(5:1921.6曾國,來新民,于忠奇,等.多道次輥彎成形數(shù)值模擬技術(shù)J .上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2007,10(41:15981602.7尹紀(jì)龍,李大永,彭穎紅,

21、等.動(dòng)力顯式有限元法輥彎成形全流程仿真技術(shù)研究J .塑性工程學(xué)報(bào),2006,1(13:3639.8He Yang,L ianggang Guo,Mei Zhan,et al .Research on the in 2fluence of material p r operties on cold ring r olling p r ocesses by 3D 2FE numerical si m ulati on J .Journal of Materials Pr ocessingTechnol ogy,2006,177:634638.9王鵬,董湘懷.U 型件沖壓成形回彈過程的數(shù)值模擬及參數(shù)

22、優(yōu)化J .上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2007,10(41:15901593.10ABAQUS .ABAQUS analysis user s manual M .I ndiana:US A:s .n .,2004,450600.11W J Chung,J W Cho,T Belytschko .On the dyna m ic effects ofexp licit FE M in sheet metal for m ing analysis J .Engineering in Computati ons ,1998,15(6:750756.作者簡介:王慧玲(1982-,女,碩士生。主要研究方向?yàn)檩亯撼尚芜^程數(shù)值模擬與工藝穩(wěn)健設(shè)計(jì)。(上接第74頁 (a 變形云圖-位移分量的矢量和位移 (b 應(yīng)力分布圖-第四強(qiáng)度理論下等效應(yīng)力圖5滿載時(shí)電動(dòng)葫蘆在門架跨中位置的應(yīng)力分布圖及變形云圖圖6最大應(yīng)力端板的應(yīng)力分布圖4結(jié)論與設(shè)計(jì)建議通過對(duì)大跨距門架結(jié)構(gòu)行車進(jìn)行有限元分析后得出以下結(jié)論: