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利用CFRP加固吊车钢梁性能的有限元分析

发布于:2016-04-06 20:37
有限元分析

      在工业建筑中,疲劳破坏是吊车钢梁在反复荷载作用下的主要失效模式之一。在我国建国初期建造的工业厂房中,吊车钢梁超期和超限服役的现象普遍存在。因此,对这些钢结构吊车梁进行评估和加固已经成为迫切需要解决的问题。以往采取的加固方法多为加焊钢板,但是这种方法存在着诸如增加结构自重、焊接缺陷等不足,碳纤维增强复合材料(CFRP)以其优越的物理力学性能、施工简易等特点,被广泛应用于钢结构的补强与加固。但是,目前对CFRP加固结构的研究主要集中在静态力学的有限元分析等方面,而对结构在交变载荷下疲劳性能的研究却相对较少,且多以实验为主。
      将CFRP贴于吊车钢梁底层,在交变荷载的作用下,提高承载能力和降低应力幅值的方法,间接提高其疲劳强度和疲劳寿命。采用有限元方法对CFRP加固吊车钢梁的抗疲劳性能进行模拟分析,并且将模拟分析与实验结果进行了对比,利用有限元分析App结合疲劳构件的特点,提出“实体-膜”的力学模型,并分别分析了无CFRP、单层CFRP加固和双层CFRP加固等3种情况下的吊车钢梁的疲劳性能。结果表明:在CFRP满足一定厚度时,吊车钢梁的疲劳性能有所提高,提高的幅度与CFRP本身的性能有关,模拟分析结果也和实验结果相一致。
      利用有限元法(FEM)对CFRP加固吊车钢梁的疲劳性能进行模拟分析,FEM模型要最大限度的反映实际问题,而且不能过于复杂。文献提出了一些较为实用的有限元模型,但这些模型较为复杂,不适合疲劳分析的特点.笔者根据吊车钢梁受周期载荷的实际特点,提出了“实体-膜”的分析模型,模型中没有考虑粘结层,主要是因为其弹性模量与CFRP材料及钢材相比小很多,对钢梁的影响非常小。在进行模拟分析时,假设构件在疲劳破坏之前,其与CFRP材料之间始终处于共同工作的状态。在有限元分析中,膜单元的特点是平面内只承受拉力,不能承受压力,平面外不承受弯矩的作用,这与CFRP片材的受力特点相吻合。在单元类型的选取上,钢梁采用实体SOLID92单元(空间四面体单元),CFRP片材采用膜体SHELL41单元,计算模型是根据鞍山钢铁企业使用的真实吊车钢梁缩尺(1/6)而建立,模型的基本尺寸和加载方式如图所示,有限元网格划分模型如图所示,给出各材料的物理参数。
      通过表可以看出:无论是在哪种工况下,吊车钢梁的应力幅值都随加固CFRP层数的增加而减小,而疲劳寿命随加固层数的增加而增大。表给出各加固情况下吊车钢梁应力幅值减小幅度及其疲劳寿命增加幅度。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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