大型鋼桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

鄭　鵬，馬晴川

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧　沈陽　110870)

摘要：設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于大型壓力鑄鋼中的桁架結(jié)構(gòu)，用于承載壓力鑄造設(shè)備。通過對(duì)桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，確定了合適的桿件結(jié)構(gòu)、各部件鋼材型號(hào)以及鋼軌安裝方式，建立了桁架結(jié)構(gòu)的簡化模型，并應(yīng)用ANSYS Workbench對(duì)桁架整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元靜力分析和模態(tài)分析，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)桁架結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，確保運(yùn)載小車工作過程中桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，避免其發(fā)生共振。

關(guān)鍵詞：桁架；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；ANSYS Workbench；模態(tài)分析

1　工程整體概況

工程的目的是在現(xiàn)場搭建一種大型壓力鑄鋼設(shè)備，設(shè)備整體包括底部桁架支撐結(jié)構(gòu)、運(yùn)載小車、鋼包鎖緊結(jié)構(gòu)等。運(yùn)載小車通過鋼軌架設(shè)在桁架結(jié)構(gòu)上，裝載導(dǎo)液管與模具行至壓鑄工位處，液壓缸頂起鋼水包，鋼水通過倒液管充滿上方模具完成壓鑄。壓力鑄鋼設(shè)備整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1-液壓缸；2-鋼桁架；3-鋼水包；4-鋼軌；

5-運(yùn)載小車；6-倒液管；7-壓鑄模具

圖1　壓力鑄鋼設(shè)備整體結(jié)構(gòu)示意圖

本文主要探討壓力鑄鋼中的桁架支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要求其能夠承擔(dān)運(yùn)載小車及所裝載鋼包等其他設(shè)備共300 t的載荷。桁架總長度設(shè)計(jì)為15 m，桁架設(shè)計(jì)高為5 m，整體采用平行弦桁架結(jié)構(gòu)，考慮運(yùn)輸過程中的長度限制及現(xiàn)場安裝快捷方便，將其設(shè)計(jì)為可拆分結(jié)構(gòu)，利用五組獨(dú)立的鋼桁架現(xiàn)場拼裝形成整體桁架。

2　桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1　桁架桿件內(nèi)力計(jì)算

桁架結(jié)構(gòu)外部載荷主要來源于運(yùn)載小車，運(yùn)載車在底部布置有4對(duì)車輪，各車輪最大輪壓相同，運(yùn)載小車輪距尺寸如圖2所示。

圖2　運(yùn)載小車輪距尺寸

本空間桁架設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)分解為4個(gè)平面桁架，每個(gè)平面桁架所受載荷P為：

P=rquPmax.

其中：rq為小車荷載分布系數(shù)；u為小車豎向載荷系數(shù)；Pmax為運(yùn)載車的最大輪壓。

設(shè)計(jì)桁架結(jié)構(gòu)時(shí)，首先通過確定桁架桿件內(nèi)力值從而初步確定桿件截面面積，然后通過繪制影響線的方法解決移動(dòng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)力計(jì)算問題[1]。本桁架上弦桿最大軸心力為2 268 kN，下弦桿最大軸心力為4 758 kN，斜桿最大軸心力為1 244k N，豎桿最大軸心力為480 kN。

2.2　桿件鋼材選型

桁架結(jié)構(gòu)上弦桿為受壓桿件，下弦桿為受拉桿件，根據(jù)桁架內(nèi)力最大值情況選用Q235鋼，依據(jù)強(qiáng)度計(jì)算準(zhǔn)則選取合適的鋼材型號(hào)[2]。桁架除承受桁架軸心力，還需承擔(dān)運(yùn)載小車豎向荷載在節(jié)間產(chǎn)生的局部彎矩，所以上、下弦桿截面優(yōu)先采用寬緣翼軋制型鋼，腹桿和豎桿截面選用雙等邊角鋼拼接而成，連接處使用節(jié)點(diǎn)板焊接。

為保持桁架結(jié)構(gòu)中桿件具有足夠的剛度，避免動(dòng)載荷引起的桁架周期振動(dòng)效應(yīng)，在設(shè)計(jì)過程中桁架桿件的最大長細(xì)比應(yīng)小于允許長細(xì)比。長細(xì)比的計(jì)算公式為:

λ=l/r.

其中:l為桁架桿件的計(jì)算長度；r為桁架桿件對(duì)自身軸的回轉(zhuǎn)半徑。

桁架上下弦桿、腹桿、豎桿的最大長細(xì)比和允許長細(xì)比見表1。

表1　桁架桿件長細(xì)比

桿件名稱鋼材型號(hào)最大長細(xì)比λmax允許長細(xì)比[λ]上/下弦桿HW394/39884150/200斜腹桿2L140×1290150豎腹桿2L125×86150

3　桁架有限元分析

3.1　模型前處理

完成初步選型設(shè)計(jì)之后，通過三維軟件建立桁架整體模型，并導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件。桁架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在有限元分析時(shí)應(yīng)盡量簡化模型的數(shù)量規(guī)模，桁架最上層鋪有混凝土橋路板，鋼軌材料主要為U71Mn[3]，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分，劃分的節(jié)點(diǎn)數(shù)為694 070，單元數(shù)為315 307。

3.2　桁架結(jié)構(gòu)靜力分析

本文以運(yùn)載小車在桁架中部工作時(shí)為分析工況。本桁架在室內(nèi)搭建并且整體高度較低，所以忽略風(fēng)雪載荷，結(jié)構(gòu)自重載荷包括桁架結(jié)構(gòu)自重與鋼軌重量，工作負(fù)載主要是來源于運(yùn)載小車的輪壓。對(duì)桁架模型底端節(jié)點(diǎn)的全部自由度進(jìn)行約束，應(yīng)用靜力學(xué)模塊進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的有限元分析。

圖3為運(yùn)載小車在跨中時(shí)桁架結(jié)構(gòu)的變形云圖。由圖3可知，在中部受壓情況下，鋼桁架結(jié)構(gòu)中間上弦桿和鋼軌與車輪接觸處變形量最大，為0.62 mm，由載荷受力引起的桁架豎向撓度與整體跨度的比值為0.62/15 000=0.021，小于實(shí)際工程設(shè)計(jì)規(guī)范中要求的1/500的跨度比，由此可見桁架具有較好的剛度性能。

圖3　運(yùn)載小車在跨中時(shí)桁架結(jié)構(gòu)的變形云圖

圖4為運(yùn)載小車在跨中時(shí)桁架的應(yīng)力云圖。鋼桁架結(jié)構(gòu)主體材料的屈服極限為235 MPa，考慮安全系數(shù)為1.2，材料的許用應(yīng)力[σc]=235 MPa/1.2=195.83 MPa。由圖4可以看出，最大應(yīng)力發(fā)生在桁架中間支撐桿件和上弦桿上部分，其最大應(yīng)力為103.87 MPa<>σc]，可見桁架結(jié)構(gòu)具有較好的強(qiáng)度性能。

3.3　桁架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

模態(tài)分析是對(duì)設(shè)計(jì)的桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行固有振動(dòng)特性分析，用于確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型[4]。對(duì)桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析求解時(shí)忽略結(jié)構(gòu)中各連接件間及外部的阻尼作用，提取桁架模態(tài)分析結(jié)果中的前8階模態(tài)，分析數(shù)據(jù)見表2。

圖4　運(yùn)載小車在跨中時(shí)桁架的應(yīng)力云圖

表2　桁架前8階模態(tài)頻率

階數(shù)頻率(Hz)10.4199521.085832.245843.38453.95664.43876.83689.276

由表2可知：鋼結(jié)構(gòu)桁架自振頻率呈現(xiàn)密集型分布，對(duì)應(yīng)于高頻振型差異較小，符合一般規(guī)律。對(duì)于模態(tài)分析而言，前3 階振型比較容易發(fā)生，所以在這里就綜合考慮其前3階振型[5]，如圖5所示。前3階固有頻率集中在較低水平，桁架結(jié)構(gòu)的外界激勵(lì)源主要是運(yùn)載小車，運(yùn)載車速度為3 m/min，車輪直徑為Φ500 mm，小車輪轉(zhuǎn)一周用時(shí)37.6 s，產(chǎn)生激振力頻率為0.026 4 Hz，此頻率小于鋼桁架結(jié)構(gòu)的1階固有頻率，因此不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。

圖5　桁架前3階振型云圖

4　結(jié)語

根據(jù)桁架承載運(yùn)載小車的受力情況，設(shè)計(jì)鋼桁架結(jié)構(gòu)，通過有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行靜力和模態(tài)分析，計(jì)算結(jié)果表明桁架結(jié)構(gòu)滿足工程領(lǐng)域中對(duì)桁架的剛度、強(qiáng)度要求，并且頻率小于結(jié)構(gòu)固有頻率，桁架結(jié)構(gòu)在壓鑄工作時(shí)穩(wěn)定性較好，避免了共振情況的發(fā)生。

(參考文獻(xiàn)：和英文摘要

參考文獻(xiàn)：

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Design and Analysis of Large-scale Steel Truss Structure

ZHENG Peng1, MA Qing-chuan2

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyan 110870, China )

Abstract：A kind of truss structure is designed for large-scale high pressure die casting.Truss structure is used to bear the pressure of the vehicle and the pressure casting equipment. Through the analysis of the loads on truss, the truss structure and the rail installation mode are determined. The simplified model of the truss structure is established, and the finite element analysis and modal analysis of the truss model are carried out by ANSYS Workbench, and the stiffness and strength of the truss structure are checked. The results show that the structure will not occur resonance in the vehicle working process.

Key words：truss structure; structural design; ANSYS Workbench; modal analysis

文章編號(hào)：1672- 6413(2016)05- 0102- 02

收稿日期：2015- 12- 07；

修訂日期：2016- 08- 11

作者簡介：鄭鵬(1964-)，男，遼寧沈陽人，教授，博士，主要研究方向：復(fù)雜表面數(shù)控制造技術(shù)、反求工程、現(xiàn)代制造技術(shù)及精密測量等。

中圖分類號(hào)：TP391.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A