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有限元分析在起重机强度分析中的应用

发布于:2016-03-02 19:20
强度分析

      宝钢炼钢部转炉用430t/80X21.4m铸造起重机为进行扒渣和向转炉兑铁水等。扒渣机和转炉都位于起重机北端,因此主小车经常运行于主梁北端,主梁北端所受剪应力也最大。在长期重载作用下,发现该部位铅垂方向有100mm多长的焊缝已经开裂。为保证正常生产,避免重大事故的发生,拟对该起重机主梁进行强度分析,并预测其疲劳寿命。由于其结构较复杂,在目前的软硬件条件下,直接进行整体结构的精确有限元分析,进而准确预测其疲劳寿命有一定的难度。采用的子模型技术可以实现复杂结构的精确有限元分析,从而为该起重机的正常运行提供可靠的支撑和保证。
      在有限元分析中往往出现这种情况,即对于用户关心的区域,如应力集中区域,网格太疏不能得到满意的结果,而对于这些区域之外的部分,网格密度已经足够了。可以采取两种办法来得到这些区域较精确的解:①用较细的网格重新划分并分析整个模型,②只在关心的区域细化网格并对其分析。显而易见,方法①工作量太大,方法②即为子模型技术。采用子模型法对复杂结构进行结构强度分析时可分为两个步骤:①对整体结构进行总体分析,分析时结构作适当简化,②根据总体分析结果,对所关心的局部结构进行精确细化分析,得到这些局部结构较为精确的强度的分布结果。
      子模型法进行复杂结构强度分析的流程图。由于交接面的等效位移边界约束和接触压力边界条件综合考虑了其它结构的刚度和载荷对细化分析结构的影响,所以只需对细化结构本身进行分析,可根据需要采用较细的网格或精度较高的二次单元,从而得到更加精确的解。该铸造起重机桥架由两根主梁、两根副梁(四梁、四轨)和两根端梁组成,这些材料为Q235A的结构件通过钢板焊接和螺栓联接装为一体。它们之间的刚度是互相藕合的。
      由于该起重机的结构和负载均具有对称性,其计算模型可只取其一半。图为起重机整体分析时的有限元网格模型图。经有限元计算发现在起重机靠近北端主、副腹板同端梁内板连接处(直角拐弯处)存在应力集中,且随着网格密度的加大而急剧增大。故对此位置进行了子模型分析,采用的壳单元子模型和壳单元到体单元的子模型技术相结合的方法,得到所示的子模型。
      通过比较粗糙模型和子模型在切割边界的路径图,可看出选择的切割边界是合适的。图中为板单元子模型和三维实体单元子模型的剪应力分布图,从图中可以看出,两者的剪应力分布基本吻合。此时板单元子模型的网格长度为34mm,板厚度为25mm。图中网格长度为17mm,小于板厚25mm,此时剪应力分布错位,结果不正确。因此,在板单元模型网格划分中,网格密度必须控制,而且,网格的长度应大于板单元的厚度。将有限元计算结果和现场测试结果列于表。将主梁测点应力的实测值与有限元计算值进行了比较,其相对误差为1.4%-4.2%,表明有限元计算值与实测值相符。


                                                                                  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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