大跨度箱型梁结构设计与有限元分析
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1 箱型梁结构设计
箱型梁结构设计主要是在已知小跨度箱型轨道 梁设计标准的基础上 ,进行类比设计 。对各种设计方 案的轨道梁均应按三向组合载荷进行强度计算 。设 计时要求梁有足够的抗弯刚度 ,即在荷载标准值下 , 梁的最大挠度不大于规定的容许挠度 [ 2 ] 。
表 1 吊车的主要参数
台数起 级别 跨度 小车重 质量 ( t) 钩别 L /m g / t
表 4 箱梁各主要截面最大应力
荷载作用面 支座截面 3m 变截面 8m 变截面 跨中截面
最大等效应力 160 164 171 133
/M Pa
3. 2 强度校核 通过分析校核 ,提取 4种工况下吊车梁各主要截
面最大应力值 ,如表 4所示 。 载荷作用在梁端 3m 和 8m 截面位置时 ,等效应
力均比跨中的应力大 ,是变截面应力集中造成的 ,此 应力集中在很小的范围内 。箱梁钢材强度设计值为 215M Pa,满足强度要求 。
关键词 :箱型梁 ;结构设计 ; ANSYS;应力分析 中图分类号 : TH114 文献标识码 : A 文章编号 : 1006 - 4414 (2009) 02 - 0037 - 03
Structure design and f in ite elem en t ana lysis for a large - span g irder M u Xiao - lin1 , L i L i - bo2
研究与分析
·机械研究与应用 ·
大跨度箱型梁结构设计与有限元分析 3
牟小林 1 ,李利波 2
(1. 四川电力送变电建设公司 ,四川 成都 610051; 2. 三峡大学 机械与材料学院 ,湖北 宜昌 443002)
摘 要 :主要利用现行的设计标准进行类比设计跨度为 48m 箱型轨道梁 ,并利用 ANSYS软件进行轨道梁的应力和应 变分析 ,校核其强度和刚度 ;通过对设计计算结果和 ANSYS分析结果的比较 ,进一步验证设计的有效性 。全 面评价轨道梁的应力水平 、刚度分布情况 、薄弱环节和富余部位 ,为减轻梁重量 、降低成本 、均衡梁的应力与刚 度 、优化设计提供必要的依据 。
Abstract: In this article, the design of box beam track 48m in length on the analogy of the existing design standards is mainly introduced. The beam stress and strain is analysed in ANSYS. And the beam strength and stiffness is checked. Through com2 paring the design calculations and ANSYS analysis results, the effectiveness of the design is further app roved. And comp re2 hensive evaluation of the track beam stress levels, stiffness distribution, weak links and surp lus sites p rovide the necessary ba2 sis for reducing the beam weight and cost, balancing its stress and stiffness and op tim izing the design. Key words: box girder; structural design; ANSYS; stress analysis
类载荷均应按不同计算项目分别采用标准值或乘以 荷载分项系数 、动力系数的计算值 [ 4 ] 。作用于轨道 梁的荷载可用最大轮压求出 [ 3 ] ; 作用在轨道梁上的 均布载荷有箱梁 、轨道 、走台 (或水平桁架 ) ,栏杆 (或 辅助桁架 )等质量 ,可近似简化为将轮压乘以荷载增 大系数 β来考虑 。
本文设计的箱型梁 ,腹板高度小于 4750mm 的部分 长 8000mm。其中 ,靠近端部有长 3000mm,高 3045mm的 非变截面段 ,连接高 3045mm 梁段和高 4750mm 梁段的 是 5000mm长的变截面梁 ,如图 3所示。
为保证梁的抗扭刚度 ,应在梁端部设置端支撑及 沿梁全长设置刚性横隔 ,其间距约为横隔间距 : a = 4000mm ,并与腹板横向加劲肋间距相协调 ,隔板由中 间孔洞镶边的钢板组成 , 刚性横隔的材料采用 Q235B。
我国现在生产的桥式通用起重机的轨道梁 ,大多 采用箱型结构 ,因为它加工方便 ,质量容易控制 ,而且 主梁的刚性也较好 。目前 ,工程中应用的轨道梁跨度 大多在 20～30m ,对于跨度为 48m 的箱型轨道梁 ,目 前尚无设计规范 ,需要利用现行的设计标准进行类比 设计 。本文主要是设计跨度为 48m ,起重量为 200 t, 最大提升量为 18m 的箱型轨道梁 。利用 ANSYS软 件对设计参数进行校核 ,以设计出结构简单 ,易于制 造 ,强度高 ,耗材少的箱型轨道梁 。并为其它大型轨 道梁的设计提供参考 。
图 3 箱梁的变截面设计图
(3) 承载能力计算 : ①梁的承载力如表 3 所示 ; ②箱型梁均能满足截面高宽比及自由长度与宽度之 比的要求 ,可不计算梁的整体稳定性 [ 3 ] ; ③局部稳定 ·38·
图 4 箱型梁几何模型 图 5 箱型梁有限元模型
3 计算结果及分析评价
本文设计的箱型轨道梁有 7处危险截面 ,但由于
梁的对称性 ,只用选取其中的 4处进行静力分析 。危 险截面 1 为梁端截面 ,此处剪力最大 ;危险截面 2、3 为梁的两个变截面处 ,此两处的集中应力最大 ;危险 截面 4为跨中截面 ,此处作用有最大弯矩 。 3. 1 刚度校核 [ 7, 8源自文库]
最大变形发生在梁中截面附近 ,最小变形发生在 梁两端面至约束之间的截面上 。X 方向最大变形量 为 - 8. 004mm ,如图 6所示 。 Y方向最大变形量为 8. 092mm ,如图 7 所示 。按《钢结构设计手册 》规定 的扰度容许值计算方法 , X 方向的容许挠度为 [ 6 ] L / 2200 = 21. 82mm > 8. 004mm , Y 方向上的容许挠度 为 [ 6 ] L /1200 = 40mm > 8. 092mm ,可见该梁的刚度能 够满足要求且还有较大冗余 。
·机械研究与应用 ·
24mm;梁端截面如图 2所示 。
性 :腹板 h / tw 均小于 250要求 ,箱梁腹板应配置横向 加劲肋 ,受压区纵向加劲肋 ,且宜配置受压区短加劲 肋 [ 3～6 ] 。跨中腹板加劲肋的设置 :横向加劲肋的间距 a = 4000mm;短加劲肋的间距 a1 = 1000mm;纵向加劲 肋至上翼缘的距离 :初取 h1 = 750mm;端部腹板加劲 肋设置 : a = 3800mm , a1 = 875mm , h1 = 750 mm。腹板 横向加劲肋采用 - 270 ×18mm;短横向加劲肋采用 220 ×18mm;纵向加劲肋采用普通槽钢 22a[ 5 ] 。
图 示
1台 A7
200 /50 硬钩 48
70
1. 1 设计参数 选用材料 Q235B ,设计资料 [ 1 ]如表 1、2所示 。
表 2 双梁吊钩式小车轮压
起重量 轮压
( t)
( t)
轮距 (mm )
图 示
P1 P2 b
a
200 /50
36 31 2270 830
1. 2 设计步骤 (1) 设计载荷及其组合 。作用在轨道梁上的各
·37·
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
研究与分析
比较手算结果和 ANSYS分析结果可以得到 :由 ANSYS分析的跨中强度为 133M Pa,与计算结果 129. 9M Pa相差不大 ,说明箱梁的强度满足设计要求 ,也证 明了设计的合理性 。但 ANSYS分析的梁端剪应力为 115M Pa,与计算值 62. 63M Pa相差很大 。可能是由于 该吊车梁模型庞大 ,此分析旨在得到梁整体的应力分 布 ,故对约束进行简化 ,在支座约束处产生很大的应 力集中 ,致使支座截面的剪应力值存在误差 。具体结 果如表 5所示 。
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
研究与分析
·机械研究与应用 ·
上翼缘纵向加劲肋的设置 :按局部稳定性要求 , 箱型梁的受压上翼缘下表面应沿翼缘全长设置两道 纵向加劲肋 ,纵向加劲肋采用工字钢 32b[ 7 ] ,其间距 分别为 540mm , 520mm 和 540mm。
2 分析模型的建立 [ 8 ]
该吊车梁模型较大 ,考虑到计算的经济性 ,采用 面来模拟梁身焊接钢板 。首先在 ANSYS工作平面上 按一定顺序建立各钢板模型 ,再通过 AOVLAP 命令 将各面元连接起来 ,其厚度将在选用单元时通过实常 数的形式给定 ,由于吊车梁结构上完全对称 ,在建模 时先建立一半模型 ,再通过 ARSYM 命令镜像生成另 一半 ,然后通过 AOVLAP命令将两部分连接成一个 整体 ;箱梁的几何模型如图 4所示 。设置全局的单元 尺寸为 100mm ,采用自由网格划分方法对整个模型 进行网格划分 , 吊车梁主体选用弹性壳单元 SHELL63,纵向加劲肋选用梁单元 BEAM188,弹性模 量取 207GPa,泊松比取 0. 3,密度取 7. 8kg /m3 。其局 部有限元模型如图 5所示 。
(2) 箱型梁截面尺寸的确定及几何特征的计 算 [ 3 ] 。跨中箱型梁的跨中截面如图 1 所示 。梁端箱 型梁的截面尺寸为 :梁高 h = 3045mm;腹板厚度 δ=
3 收稿日期 : 2009 - 03 - 02 作者简介 :牟小林 (1971 - ) ,男 ,湖北宜昌人 ,工程师 ,主要从事结构设计 、施工研究方面的工作 。
( 1. S ichuan electric pow er transm ission & transform a tion construction com pany, Chengdu S ichuan 610051, Ch ina; 2. M echan ic and m a teria l college, Th ree gorges un iversity, Y ichang Hubei 443002, Ch ina)
计算结果
表 3 梁的承载力计算结果
最大强度
竖向挠度
129. 90N /mm2 23. 59mm
水平挠度 21. 88mm
本文所设计的轨道梁 ,其布置方式为简支梁形 式 ,所以宜选择变腹高梁 。改变梁高将梁做成中间为 等截面而向两端逐渐减小的折线形梁 ,端部的高度应 按抗剪计算确定并不宜小于 0. 5H,其变化形式可为 在靠近梁端阶型突变式 ,也可以为在梁端沿梁全长的 L /6范围内渐变式 [ 3 ] 。
表 5 比较手算结果和 ANSY S分析结果
跨中强度 (MPa) 梁端剪应力 (MPa)
刚度 (mm )
手算结果
129. 9
62. 63
X
Y
21. 88 23. 59
AN SYS分析结果
133
115
X
Y
8. 004 8. 092
4 结 论
通过对大跨度箱型梁的设计和有限元分析可知 结构的强度 、刚度完全满足设计要求 。但是理论计算 结果和 ANSYS分析的结果有一定的出入 ,可能是由 于在 ANSYS建模过程中部分结构是按设计结构近似 模拟和对结构简化造成的误差 ,不影响结构的正确 性 。从分析可以看出 ,梁的刚度有很大程度的富余 , 可以对其进行优化设计以使其结构更加紧凑 ,耗材更 少 ,费用更低 。
箱型梁结构设计主要是在已知小跨度箱型轨道 梁设计标准的基础上 ,进行类比设计 。对各种设计方 案的轨道梁均应按三向组合载荷进行强度计算 。设 计时要求梁有足够的抗弯刚度 ,即在荷载标准值下 , 梁的最大挠度不大于规定的容许挠度 [ 2 ] 。
表 1 吊车的主要参数
台数起 级别 跨度 小车重 质量 ( t) 钩别 L /m g / t
表 4 箱梁各主要截面最大应力
荷载作用面 支座截面 3m 变截面 8m 变截面 跨中截面
最大等效应力 160 164 171 133
/M Pa
3. 2 强度校核 通过分析校核 ,提取 4种工况下吊车梁各主要截
面最大应力值 ,如表 4所示 。 载荷作用在梁端 3m 和 8m 截面位置时 ,等效应
力均比跨中的应力大 ,是变截面应力集中造成的 ,此 应力集中在很小的范围内 。箱梁钢材强度设计值为 215M Pa,满足强度要求 。
关键词 :箱型梁 ;结构设计 ; ANSYS;应力分析 中图分类号 : TH114 文献标识码 : A 文章编号 : 1006 - 4414 (2009) 02 - 0037 - 03
Structure design and f in ite elem en t ana lysis for a large - span g irder M u Xiao - lin1 , L i L i - bo2
研究与分析
·机械研究与应用 ·
大跨度箱型梁结构设计与有限元分析 3
牟小林 1 ,李利波 2
(1. 四川电力送变电建设公司 ,四川 成都 610051; 2. 三峡大学 机械与材料学院 ,湖北 宜昌 443002)
摘 要 :主要利用现行的设计标准进行类比设计跨度为 48m 箱型轨道梁 ,并利用 ANSYS软件进行轨道梁的应力和应 变分析 ,校核其强度和刚度 ;通过对设计计算结果和 ANSYS分析结果的比较 ,进一步验证设计的有效性 。全 面评价轨道梁的应力水平 、刚度分布情况 、薄弱环节和富余部位 ,为减轻梁重量 、降低成本 、均衡梁的应力与刚 度 、优化设计提供必要的依据 。
Abstract: In this article, the design of box beam track 48m in length on the analogy of the existing design standards is mainly introduced. The beam stress and strain is analysed in ANSYS. And the beam strength and stiffness is checked. Through com2 paring the design calculations and ANSYS analysis results, the effectiveness of the design is further app roved. And comp re2 hensive evaluation of the track beam stress levels, stiffness distribution, weak links and surp lus sites p rovide the necessary ba2 sis for reducing the beam weight and cost, balancing its stress and stiffness and op tim izing the design. Key words: box girder; structural design; ANSYS; stress analysis
类载荷均应按不同计算项目分别采用标准值或乘以 荷载分项系数 、动力系数的计算值 [ 4 ] 。作用于轨道 梁的荷载可用最大轮压求出 [ 3 ] ; 作用在轨道梁上的 均布载荷有箱梁 、轨道 、走台 (或水平桁架 ) ,栏杆 (或 辅助桁架 )等质量 ,可近似简化为将轮压乘以荷载增 大系数 β来考虑 。
本文设计的箱型梁 ,腹板高度小于 4750mm 的部分 长 8000mm。其中 ,靠近端部有长 3000mm,高 3045mm的 非变截面段 ,连接高 3045mm 梁段和高 4750mm 梁段的 是 5000mm长的变截面梁 ,如图 3所示。
为保证梁的抗扭刚度 ,应在梁端部设置端支撑及 沿梁全长设置刚性横隔 ,其间距约为横隔间距 : a = 4000mm ,并与腹板横向加劲肋间距相协调 ,隔板由中 间孔洞镶边的钢板组成 , 刚性横隔的材料采用 Q235B。
我国现在生产的桥式通用起重机的轨道梁 ,大多 采用箱型结构 ,因为它加工方便 ,质量容易控制 ,而且 主梁的刚性也较好 。目前 ,工程中应用的轨道梁跨度 大多在 20～30m ,对于跨度为 48m 的箱型轨道梁 ,目 前尚无设计规范 ,需要利用现行的设计标准进行类比 设计 。本文主要是设计跨度为 48m ,起重量为 200 t, 最大提升量为 18m 的箱型轨道梁 。利用 ANSYS软 件对设计参数进行校核 ,以设计出结构简单 ,易于制 造 ,强度高 ,耗材少的箱型轨道梁 。并为其它大型轨 道梁的设计提供参考 。
图 3 箱梁的变截面设计图
(3) 承载能力计算 : ①梁的承载力如表 3 所示 ; ②箱型梁均能满足截面高宽比及自由长度与宽度之 比的要求 ,可不计算梁的整体稳定性 [ 3 ] ; ③局部稳定 ·38·
图 4 箱型梁几何模型 图 5 箱型梁有限元模型
3 计算结果及分析评价
本文设计的箱型轨道梁有 7处危险截面 ,但由于
梁的对称性 ,只用选取其中的 4处进行静力分析 。危 险截面 1 为梁端截面 ,此处剪力最大 ;危险截面 2、3 为梁的两个变截面处 ,此两处的集中应力最大 ;危险 截面 4为跨中截面 ,此处作用有最大弯矩 。 3. 1 刚度校核 [ 7, 8源自文库]
最大变形发生在梁中截面附近 ,最小变形发生在 梁两端面至约束之间的截面上 。X 方向最大变形量 为 - 8. 004mm ,如图 6所示 。 Y方向最大变形量为 8. 092mm ,如图 7 所示 。按《钢结构设计手册 》规定 的扰度容许值计算方法 , X 方向的容许挠度为 [ 6 ] L / 2200 = 21. 82mm > 8. 004mm , Y 方向上的容许挠度 为 [ 6 ] L /1200 = 40mm > 8. 092mm ,可见该梁的刚度能 够满足要求且还有较大冗余 。
·机械研究与应用 ·
24mm;梁端截面如图 2所示 。
性 :腹板 h / tw 均小于 250要求 ,箱梁腹板应配置横向 加劲肋 ,受压区纵向加劲肋 ,且宜配置受压区短加劲 肋 [ 3～6 ] 。跨中腹板加劲肋的设置 :横向加劲肋的间距 a = 4000mm;短加劲肋的间距 a1 = 1000mm;纵向加劲 肋至上翼缘的距离 :初取 h1 = 750mm;端部腹板加劲 肋设置 : a = 3800mm , a1 = 875mm , h1 = 750 mm。腹板 横向加劲肋采用 - 270 ×18mm;短横向加劲肋采用 220 ×18mm;纵向加劲肋采用普通槽钢 22a[ 5 ] 。
图 示
1台 A7
200 /50 硬钩 48
70
1. 1 设计参数 选用材料 Q235B ,设计资料 [ 1 ]如表 1、2所示 。
表 2 双梁吊钩式小车轮压
起重量 轮压
( t)
( t)
轮距 (mm )
图 示
P1 P2 b
a
200 /50
36 31 2270 830
1. 2 设计步骤 (1) 设计载荷及其组合 。作用在轨道梁上的各
·37·
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
研究与分析
比较手算结果和 ANSYS分析结果可以得到 :由 ANSYS分析的跨中强度为 133M Pa,与计算结果 129. 9M Pa相差不大 ,说明箱梁的强度满足设计要求 ,也证 明了设计的合理性 。但 ANSYS分析的梁端剪应力为 115M Pa,与计算值 62. 63M Pa相差很大 。可能是由于 该吊车梁模型庞大 ,此分析旨在得到梁整体的应力分 布 ,故对约束进行简化 ,在支座约束处产生很大的应 力集中 ,致使支座截面的剪应力值存在误差 。具体结 果如表 5所示 。
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
研究与分析
·机械研究与应用 ·
上翼缘纵向加劲肋的设置 :按局部稳定性要求 , 箱型梁的受压上翼缘下表面应沿翼缘全长设置两道 纵向加劲肋 ,纵向加劲肋采用工字钢 32b[ 7 ] ,其间距 分别为 540mm , 520mm 和 540mm。
2 分析模型的建立 [ 8 ]
该吊车梁模型较大 ,考虑到计算的经济性 ,采用 面来模拟梁身焊接钢板 。首先在 ANSYS工作平面上 按一定顺序建立各钢板模型 ,再通过 AOVLAP 命令 将各面元连接起来 ,其厚度将在选用单元时通过实常 数的形式给定 ,由于吊车梁结构上完全对称 ,在建模 时先建立一半模型 ,再通过 ARSYM 命令镜像生成另 一半 ,然后通过 AOVLAP命令将两部分连接成一个 整体 ;箱梁的几何模型如图 4所示 。设置全局的单元 尺寸为 100mm ,采用自由网格划分方法对整个模型 进行网格划分 , 吊车梁主体选用弹性壳单元 SHELL63,纵向加劲肋选用梁单元 BEAM188,弹性模 量取 207GPa,泊松比取 0. 3,密度取 7. 8kg /m3 。其局 部有限元模型如图 5所示 。
(2) 箱型梁截面尺寸的确定及几何特征的计 算 [ 3 ] 。跨中箱型梁的跨中截面如图 1 所示 。梁端箱 型梁的截面尺寸为 :梁高 h = 3045mm;腹板厚度 δ=
3 收稿日期 : 2009 - 03 - 02 作者简介 :牟小林 (1971 - ) ,男 ,湖北宜昌人 ,工程师 ,主要从事结构设计 、施工研究方面的工作 。
( 1. S ichuan electric pow er transm ission & transform a tion construction com pany, Chengdu S ichuan 610051, Ch ina; 2. M echan ic and m a teria l college, Th ree gorges un iversity, Y ichang Hubei 443002, Ch ina)
计算结果
表 3 梁的承载力计算结果
最大强度
竖向挠度
129. 90N /mm2 23. 59mm
水平挠度 21. 88mm
本文所设计的轨道梁 ,其布置方式为简支梁形 式 ,所以宜选择变腹高梁 。改变梁高将梁做成中间为 等截面而向两端逐渐减小的折线形梁 ,端部的高度应 按抗剪计算确定并不宜小于 0. 5H,其变化形式可为 在靠近梁端阶型突变式 ,也可以为在梁端沿梁全长的 L /6范围内渐变式 [ 3 ] 。
表 5 比较手算结果和 ANSY S分析结果
跨中强度 (MPa) 梁端剪应力 (MPa)
刚度 (mm )
手算结果
129. 9
62. 63
X
Y
21. 88 23. 59
AN SYS分析结果
133
115
X
Y
8. 004 8. 092
4 结 论
通过对大跨度箱型梁的设计和有限元分析可知 结构的强度 、刚度完全满足设计要求 。但是理论计算 结果和 ANSYS分析的结果有一定的出入 ,可能是由 于在 ANSYS建模过程中部分结构是按设计结构近似 模拟和对结构简化造成的误差 ,不影响结构的正确 性 。从分析可以看出 ,梁的刚度有很大程度的富余 , 可以对其进行优化设计以使其结构更加紧凑 ,耗材更 少 ,费用更低 。