某水电站地下厂房滑轮组结构梁有限元分析与优化改进

2013-08-08 by:广州CAE有限元应用中心来源:仿真在线

某水电站地下厂房天锚上滑轮组部件为首次设计,主要用于起吊我国某大型水电站配套的大吨位桥机主小车及相关设备,以及设备的检修维护,是十分重要承载部件之一,因此需要确定该部件整体及锚杆、网格状斜拉角钢等主要件的应力水平及应力分布。由于该部件中天锚支座、天锚、网状斜拉角钢组成了高次超静定结构,手工计算非常复杂,且精度难以保证。

这里选用有限元分析程序MSC.Marc对该结构进行有限元计算分析,并且根据分析结果,对原设计结构中应力较高的锚杆和网状角钢进行多种连接方式的优化分析,最终确定出最合理的结构,使改进结构的强度有明显增强,刚度也有较大改进,结构更加安全稳定,完全符合相关的标准要求。同时也为今后同类型结构的设计校核、结构优化提供有益的借鉴。

一、力学模型的建立

某水电站地下厂房天锚上滑轮组结构梁如图1所示,主要由预留锚杆、斜拉角钢、上滑轮组结构梁和天锚支座组成。其中,支座结构为纵向梁和横向梁结构,锚杆一端深入洞顶壁固定,一端穿过纵横向梁的交叉点与梁的上、下盖板和腹板焊接。支座上方用角钢沿纵横方向斜拉,并与支座锚杆用节点板进行焊接。

分析中为了提高计算精度,对由锚杆和斜拉角钢组成的网状桁架结构采用梁单元来模拟,梁单元的等效截面特性与实际中的锚杆和角钢的截面特性相同,天锚支座用3DQUAD(4)为主、TRIA(3)为辅的板壳单元建立,整体力学等效模型如图2所示。

计算参数为:节点总数37782个;单元总数37984个。

二、施加边界约束条件及载荷工况的确定

滑轮组结构梁主要承受的载荷如下。

(1)起重载荷、吊具重和钢丝绳重量方向竖直向下,作用在上滑轮组结构梁处。

(2)卷扬机钢丝绳拉力沿水平方向作用在上滑轮组结构梁处。根据实际工况,锚杆一端深入洞顶壁中固定,所以约束锚杆与洞顶壁相接部分的6个位移自由度。

三、计算结果及分析

计算结果如图3所示,其中,VONMISES等效应力是按第四

强度理论确定的。σ1、σ2、σ3为主应力,且有σ1>σ2>σ3,则。

锚杆及网状斜拉角钢的分析结果汇总。

由以上分析结果可知,工作状态下,天锚上滑轮组结构梁整体结构下挠度为0.6039mm,天锚支座最大VONMISES等效应力为158.2MPa,发生在与正中间锚杆连接的筋板处。该结构中锚杆和斜拉角钢是典型的拉伸(压缩)和弯曲组合变形,由分析结果表1可知,序号为B的锚杆受到最大的应力为264.6MPa,序号D的锚杆其次,受到的最大应力为248.6MPa,其余分析的锚杆最大应力均为150MPa以上。选择分析的无锚杆处的四个角钢受到的应力均超过了175MPa,其中受力最大的是序号为B(角钢排列序号见图5)的连接角钢,最大应力为232.9MPa,其次为序号为A的角钢,受到的最大应力为226.4MPa。受力较大锚杆和网状角钢所受最大应力均接近材料本身的屈服极限,安全系数较低,所以需要对此结构进行优化改进。

四、改进结构的计算结果及分析

由于受力较大的锚杆和角钢均接近其许用应力,所以考虑该结构的实际情况,对该结构进行改进,在角钢A、B、C、D处增加四根锚杆,用角钢重新连接,通过对6种不同的角钢连接方式分别进行优化分析对比,最终选出最优化的结构,建立新的有限元分析模型如图6所示,施加与原结构相同的边界条件及载荷工况,然后进行有限元计算,求出结果后与原结构进行对比分析。

进结构有限元分析结果表进行对比,其中选取分析的锚杆编号,选取分析的角钢编号。

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