（固体力学专业论文）大型输电铁塔吊装抱杆的力学试验和有限元分析.pdf

大型输电铁塔吊装抱杆的力学试验和有限元分析 摘要 本文对某大型输电吊装抱杆迸行了力学分析。抱杆在直立吊装过程中承载 多种不同荷载，为了确保抱杆在吊装过程中的强度、稳定性及吊装过程的安全 可靠，必须对抱杆在起吊过程中的整体强度和稳定性进行分析。本文采用电测 法按照设计要求进行了应力测试，检验了抱杆设计的合理性和制造质量的可靠 性。 另一方面，本文建立了抱杆结构的m s c p a t r a n 有限元分析模型，应用 m s c n a s t r a n 软件，对抱杆进行了非线性静力分析、线性的屈曲分析和模态分析。 试验与计算的结果均表明该抱杆结构满足强度与稳定性设计要求，吊装过 程中抱杆不会发生破坏。本文同时也根据试验和计算结果指出了抱杆结构中的 某些薄弱部位并提出了合理的修改意见，为进一步完善大型抱杆结构的设计、 制造和力学性能提供了试验和数值分析的参考数据。本文结果为确保大型抱杆 安全工作提供了理论依据。 关键词：抱杆，电测法，有限元分析，强度，稳定性 m e c h a n i c a lt e s ta n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft o w e rc r a n eu s e d i nl a r g e - s c a l ee l e c t r i c i t yt r a n s m i s s i o nt o w e r a b s t r a c t t h ea i mo ft h i sp a p e rs t u d i e st h em e c h a n i c a la n a l y s i so fat o w e rc r a n ew h i c h u s e di nl a r g e s c a l ee l e c t r i c i t yt r a n s m i s s i o nt o w e r b e c a u s et h et o w e rc r a n eu n d e r t h es t a t eo fv e r t i c a lh o i s tb u r d e n sv a r i o u sc a s e so fl o a d s ，t om a k es u r eo ft h e r e q u i r e m e n t so ft h es t r e n g t h ，s t a b i l i t ya n ds a f e t yi nt h ep r o c e s so ft h eh o i s t ，t h e s t r e n g t ha n ds t a b i l i t yo ft h et o w e rc r a n em u s tb ee v a l u a t e db e f o r ei ti su s e d i nt h e p r e s e n tp a p e r ，as e r i e so ft h em e c h a n i c a lt e s t sh a v eb e e nd o n eb yt h ee l e c t r o m e t r i c m e t h o dt oo b t a i nt h es t r e s sf i e l d so ft h et o w e rc r a n eu n d e rm a n yc a s e so ft h el o a d s t h er e s u l t si nt h ec h e c ko fi t ss t r e s ss t r e n g t hd e m o n s t r a t et h a tt h et o w e rc r a n ei s a v a i l a b l et ow o r k i nt h es e c o n dp a r t ，t h ep a p e re s t a b l i s h e dt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lf o rt h et o w e r c r a n ew i t hm s c p a t r a ns o f t w a r e b a s eo nt h em o d e l ，t h et o w e rc r a n e sn o n l i n e a r s t a t i cs t r e s s ，b u l k i n ga n dn o r m a lm o d e sa r ea n a l y z e db yu s i n gt h em s c n a s t r a n t h ee x p e r i m e n t a la n dn u m e r i c a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h es t r u c t u r eo ft h et o w e r c r a n em e e t st h ed e m a n d so fd e s i g ni nb o t hs t r e n g t ha n ds t a b i l i t y t h et o w e rc r a n e w i l ln o tb er u i n e dw h e nh o i s t e d h o w e v e r ，s o m ed e f e c t si nt h et o w e rc r a n ea b o u ti t s s t r e n g t hh a v eb e e nf o u n do u ti nt h ea n a l y s i s s o m eu s e f u ls u g g e s t i o n sa r ep r o v i d e d a st h er e f e r e n c et oi m p r o v et h ec r a n e sm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ea n ds t r u c t u r a l d e s i g n ，w h i c ha r eh e l p f u lt oe n s u r et h es a f e t yo ft h i sk i n do fl a r g e - s c a l et o w e r c r a n e s k e yw o r d s ：t o w e rc r a n e ，t h ee l e c t r o m e t r i cm e t h o d ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，s t r e n g t h ， s t a b i l i t y 图1 - 1 图1 2 图1 3 图1 4 图2 1 图2 - 2 图2 3 图2 - 4 图2 5 图2 6 图2 7 图3 - 1 图3 - 2 图3 3 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图5 - 1 图5 - 2 插图清单 中间弹性支座对立柱稳定性的影响3 抱杆结构图5 抱杆工作方式图6 抱杆受力图一i l 半桥单臂温度补偿接法1 4 桅杆电阻应变片布点图2 0 下立柱电阻应变片布点图2 0 一号摇臂上电阻应交片布点图2 0 二号摇臂上电阻应变片布点图2 0 回转体耳朵上电阻应变片布点图2 0 回转体下支撑和斜支撑电阻应变片布点图2 0 空间杆单元2 5 空间梁单元2 6 抱杆有限元模型回转体部分3 0 q 2 3 5 、q 3 4 5 钢材应力应变图：一3 2 非线性材料特性设置3 4 非线性分析荷载增量大小选择3 5 工况一抱杆位移计算结果一3 9 工况一抱杆最大应力合成结果3 9 工况抱杆最小应力合成结果4 0 工矿二抱杆位移计算结果4 0 工况二抱秆最大应力合成结果4 1 工矿二最小应力合成结果一4 1 工况三拖杆位移计算结果4 2 工况三最大应力计合成结果4 2 工况三最小应力合成结果4 3 工况四抱杆位移计算结果4 3 工况四抱杆最大应力合成结果4 4 工况四抱杆最小应力合成结果“ 工况五抱杆位移计算结果4 5 工况五抱杆最大应力合成结果4 5 工况五抱杆最小应力合成结果4 6 工况四下抱杆测点应力变化图4 9 屈曲分析图5 l 工况一下抱杆一阶屈曲模态5 3 图5 3 图5 - 4 图5 5 图5 - 6 图5 7 图5 - 8 图5 9 图5 1 0 图5 - 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 一1 8 工况二下抱杆一阶屈曲模态5 4 工况三下抱杆一阶屈曲模态一5 4 工况四下抱杆一阶屈曲模态5 5 工况五下抱杆一阶屈曲模态：5 6 抱杆一阶模态。5 8 抱杆二阶模态5 8 抱杆三阶模态。5 9 抱杆四阶模态5 9 抱杆五阶模态6 0 抱杆六阶模态6 0 抱杆去除内拉线约束后的一阶模态6 l 抱杆去除内拉线约束后的二阶模态6 1 抱杆去除内拉线约束后的三阶模态6 2 抱杆去除内拉线约束后的四阶模态6 2 抱杆去除内拉线约束后的五阶模态6 3 抱杆去除内拉线约束后的六阶模态一6 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金b 曼王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料一与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：叠囊打u 签字日期：劲0 6 年6 月f 占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒b 王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金a b 王些盔堂可 以将学位论文的全部或部分内容编a 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：i 獬劣舢 签字日期：加如年g 月f 占日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：研舞盆臻娜强；翘哦i 之巨计汛 通讯地址：7 闻专a ；船弓弓弓 。昝鼯 导师签名：i 。 签字日期：。年月蟛 电话： 邮编： 致谢 本论文是在导师牛忠荣教授及周焕林副教授悉心指导下完成的。 首先我要感谢牛老师三年来对我的辛勤教育和培养。在三年的学习中，导 师扎实深厚的理论知识，严谨求实的治学态度，精益求精的敬业精神，诲人不 倦的良好风范，值得我终生学习。从牛老师身上，我不仅学到了专业知识和学 习方法，更学习到很多做人的道理，这三年里，不论是在学习上还是在生活上， 牛老师都给了我极大的关心和帮助，为我们创造了良好的学习环境与氛围，对 我的论文做了大量的修改，在此，我对牛老师表示深深的谢意。 同时感谢的还有周焕林副教授和杨韶明老师在论文阶段对我的悉心指导和 帮助，感谢周老师对我的热情帮助和辛勤付出，本文从选题、展开到最后的定 稿，周老师都付出了大量的心血，我在此表示由衷的感谢。我在研究生阶段工 作的完成与周老师的帮助是分不开的，谨此之际，向周焕林老师表示诚挚的感 谢。 我还要对我的任课老师王建国院长、王左辉教授、刘一华教授、盛宏玉教 授和白嘉楠副教授致以衷心的感谢和诚挚的敬意。本文的顺利完成也离不开土 建学院许多老师的帮助，在此感谢胡宗军老师、程长征老师等诸位老师的支持。 也感谢安徽送变电工程公司罗义华和黄成云两位高级工程师给予我的无私帮 助。 同时，我还要感谢周华聪、曹张、崔书文、贺赞辉、葛大丽等同学在学习 和生活上的帮助。 最后，我要感谢父母的养育之恩，他们勤劳朴素的作风、诚实善良的品德， 是我一生的榜样。 作者：夏绍凯 2 0 0 6 年6 月 第一章引言 1 1 研究课题的内容与意义 电力工业是国家的支柱产业之一，也是国民经济的命脉，关系到国计民生。 电力输送是电力工业中极其重要的环节，随着我国工业的发展、西部开发的进 程以及大型水电枢纽投产后西电东送的实施，对电力的需求越来越大，输电线 铁塔直接影响到了电能这一关系到国计民生不可缺少的能源是否能够安全合理 经济的输送到它的目的地。由于电厂装机容量越来越大，电力输送逐渐形成输 电线路远、电压高的特点，再加上地形、地理位置的不同，对高压输电线路铁 塔及其相关设施的建设提出了更高的要求“1 。许多大型的跨江输电铁塔也应运 而生，要在崇山峻岭及交通不便的地区兴建众多的输电线塔架，也要求进一步 研制更多的在不同地形地貌进行旌工组装这一类大型输电线铁塔的机械吊装设 备。 2 0 0 5 年8 月开始进行施工的5 0 0 k v 马鞍山大跨越工程是安徽省内滁州至马 鞍5 0 0k v 输电线路的一个重要跨长江输电线工程，跨越长江距离为1 9 6 0 m 。两 基跨越塔均为法兰连接的钢管塔结构，全高2 5 7 m ，塔身为正方形结构，底部根 开5 1 6 5 1 6 m ，顶部2 4 6 5 m 处根开6 6 m 。全高共设9 层休息平台，平台宽度 5 5 m 。铁塔共有三层横担，横担内均有走道，内设电梯井筒，该铁塔是当前 国内最高输电钢管塔。本文研究的抱杆即是组立马鞍山大型输电线铁塔的重要 的机械吊装设备。 抱杆这类起重类桅杆结构的设计和建造要求具有很高的安全性能和适用性 能。在正式投入使用之前，必须按照设计要求进行载荷试验，以考验桅杆设计 的合理性和制造质量的可靠性，确保抱杆在使用过程中安全可靠。1 。马鞍山大 跨越抱杆在试验中采用了电阻应变电测法对抱杆各部分进行了应力、应变测试。 通过验证性载荷试验直接得到抱杆中各个测试点的实际应力，可以直接地了解 到危险截面处的应力、应变情况，确保了抱杆在施工过程中的安全可靠。 但抱杆的立态试验因存在多种工程实际困难，很难全面的了解到抱杆整体 的受力情况，甚至由于测试条件的限制，被测试截面的测点很多采用单片测试， 因而也很难测试到被测截面的最大拉、压应力。所以，仅仅通过试验了解抱杆 在施工时的受力状态是远远不够的，为了进一步确保抱杆在吊装过程中的强度 和稳定性及吊装过程的安全可靠，本文同时应用了有限元分析软件 m s c n a s t r a n & p a t r a n 对抱杆这一实际工程案例进行了有限元数值模拟分析，对 抱杆在五种试验工况下进行了有限元分析，并同时利用有限元软件对抱杆进行 了线性屈曲分析和模态分析，较全面的分析了抱杆的各项力学性能。同样，有 限元分析也有它的局限性，由于在建模、计算时必然要对实际结构加以简化， 这就难免会造成与实际结构受力情况的偏差，因此，有限元计算结果也必须要 结合试验结果才能准确地反映出抱杆的性能。 本文根据抱杆在五种试验工况下的试验结果和有限元计算结果的分析和比 对，给出了抱杆系统在旌工中的技术要求和建议，结果表明，抱杆的整体强度 和稳定性均满足设计要求。 本文研究为完善输电铁搭吊装抱杆的设计提供了完整的有限元分析和试验 分析，可为类似大型抱杆的设计提供参考。现在这两部分的研究均己完成，通 过了安徽送变电工程公司的验收，并且该铁塔现已成功建设完工。 1 2 起重桅杆结构简介 抱杆是为了完成特大工件吊装而专门设计的格构式矩形断面特大型起重桅 杆，在直立吊装过程中承载较大荷载。由于抱杆施工要求的特殊性，该抱杆是 由送变电公司设计人员施工前根据现场的施工要求、施工环境以及气象条件自 行研制的，该抱杆全高6 5 3 m 、臂长2 3 3 m 、总重2 7 2 5 7 吨、单侧最大起吊重量 1 5 0 k n 、工作幅度3 2 4 6 m ，主体结构为法兰连接钢管桁架，通过三层钢丝腰箍 拉线从四个方向固定在输电铁塔上，其各项性能上在全国同行业中均处于领先 水平。 桅杆结构按使用途径可以分为无线电桅杆、电视发射塔、输电线桅杆、钻 井塔、导航塔以及起重类桅杆等，按杆身构造，桅杆可分为单杆身、双杆身、 樯杆式桅杆等n 3 。桅杆结构是一种高柔结构，由一根直立的细长杆身和沿高度 斜向张拉的纤绳所组成，纤绳在三个或多个方向拉住杆身，以保证杆身的稳定。 桅杆的杆身为主要承重构件，有实腹式和格构式两种，实腹式杆身多为等截面 大型焊接钢管，格构式为三角形或四边形的空间桁架。纤绳一般采用高强度镀 锌钢丝绳。 桅杆宜于选用钢材塔架结构，而钢材塔架结构中采用预应力拉索式则比自 立式有更好的灵活性及经济指标。有资料表明：性能相同的预应力拉索式比自 立式节约钢材约2 0 。从节约投资、减轻自重、方便运输、快捷安装、提高刚 度的角度考虑，采用预应力拉索式塔架有着很大的优越性。本文所研究的抱杆 即是采用的预应力拉索式，另外，从现场旄工的要求上来说，抱杆要求不断的 变化其吊装高度去组立输电铁塔，预应力拉索式显然也比自立式更加灵活、方 便，更加适合现场旌工的需要。 抱杆结构承受的主要荷载除了施工中的吊装荷载和抱杆本身的自重以外， 最主要的就是风荷载，而构筑物本身的体形，结构杆件的截面形状，杆件挡风 面积的大小等参数都对风载计算产生直接影响。根据前人理论分析中对圆管塔 架的重量与边数关系，得出下列结果：( 见表1 - 1 ) 2 表1 - 1 圆管塔架重量与边数关系 截面边数 346 8 i重量系数 0 9 l 1 01 11 1 3 此外，杆件采用的形式会影响风载计算值，圆管是首选截面，例如高度为 2 0 0 m 的无线电天线塔架由角钢杆件改为圆管杆件后，可降低自重5 0 一6 0 。 以预应力拉索替代刚性杆件还会进一步节约钢材。有实例表明采用预应力柔性 腹杆的塔架要比刚性腹杆塔架轻1 0 1 5 。 预应力塔桅结构又分为两类：一是以预应力柔性杆件取代常规自立式结构 中刚性杆件以节约用材，提高剐度，改善风动性能，降低成本的；二是借助预 应力拉索沿结构高度形成若干新的弹性支撑，改善结构的边界条件，降低内力 峰值，提高结构刚度和稳定性的。 p f 队 i 主j 一一：= 0 e f k k 图1 - 1 中间弹性支座对立柱稳定性的影响 例如高为，的轴压杆稳定承载力为。= 丁n - 2 e ( 图1 1 a ) ，利用拉索及撑杆在 跨中设置一个中间支座后，使压杆。显著提高，其提高程度与新支座的弹性系 数k 有关( 图1 - l b ) 。当k = 0 k 时弹性支座如同固定支座一样受力，杆件。可 增大到原杆件的4 倍，即已= 4 ； f l ，：e l ( 图1 1 c ) 。但当弹性系数继续增大，中间 支座的约束作用退化为。，杆件又如初始状态工作，其乓= 写孚。一般情况下 下划l 4 一 k k l 因此取仗= 1 ( 4 ) 风压高度变化系数儿通常按下式进行计算 = ( 爿“( 笥 s ， 式中任一地貌下的风压高度变化系数； 日。标准地貌下的梯度风高度； 巩任一地貌下的梯度风高度； z 离地面任一高度( m ) ； 气离地面标准高度。通常取为l o m ； 口与地面粗糙度有关的指数，地面粗糙度越大，口越大。 根据施工现场的地面粗糙程度，取毛= l o r e ，g = o 1 6 ，= 珥o = 3 5 0 m ；代入 的表达式，可得： 肛= ( 匀“” ( 1 - 6 ) 取z = 2 5 0 m ，可得雎= 2 _ 8 综上所述，已知f = 2 8 7 8 ，y = 0 8 6 ，亿= 1 ，以= 2 8 代入式( 1 - 6 ) 可求得 高程为2 5 0 m 处的风振系数允： f i t = 1 + 警小型等业乩s ， 为简化计算，对于抱杆上所有吊物、摇臂、吊绳、钢结构均取风振系数尼= 1 8 7 1 4 2 2 顺向风荷载标准值 当已知拟建工程所在地的地貌环境和工程结构的基本条件以后，并确定了 工程结构的风振系数见、基本风压值、风压变化系数心和风压体型系数胁以 后，即可计算垂直于抱杆表面的顺风向荷载标准值，风荷载标准值可按下式 求解m 3 ： 阡z = , a z 5 u z w o 式中触风压体型系数 矾基本风压 ( 1 ) 风荷载体型系数纷， ( 1 7 ) ( 1 ) ( 2 ) 一般情况下，自由气流并不能理想地停滞在建筑物表面，而是以不同的途 径从建筑物表面绕过，风作用在建筑物表面的不同部位将引起不同的风压值， 此值与来流风压之比称为风载体型系数，它是表示建筑物表面在稳定风压作用 下的静态压力分布规律，这主要与建筑物的体型和尺寸有关。 抱杆结构的各部分风荷载体型系数值应按整体风荷载体型系数表采用； 对于钢丝绳取风= 1 2 对于摇臂结构取t 。= 1 8 4 ；对于桅杆结构取p 。= 1 8 8 ； 导、地线横担。= 2 6 。 ( 2 ) 基本风压，由公式，w o = o 0 0 0 6 1 3 v 2 ，v 为风速( m s ) ，按建筑结构 荷载规范中的全国基本风压分布图的规定值采用。电力建设安全工作规 程规定，五级以上风不得从事高空作业。因此，抱杆工作状态最大风压，按 v = 1 0 m s 风速，由基本风压公式= 0 0 0 0 6 1 3 v 2 k n m 2 计算，矾= 6 1 3 n m 2 ； 非工作状态风压，按大跨越线路设计气象条件的风速v = 3 0 m s ，由基本风 压公式w o = 0 0 0 0 6 1 3 v 2k n m 2 计算，w o = 5 5 1 7 n m 2 。 1 4 2 3 风载计算： 按建筑结构荷载设计手册“，风载表达式为 f = a m ( 1 - 8 ) 式中4 构件迎风面积 o 填充系数 最大安装工作风载及非工作状态风载的计算高度、填充系数、风力系数、 迎风面积、挡风面系数、风载荷及风载荷点、线分布计算结果汇总如下表： 表1 - 2 最大安装工作风载( w o = 6 1 3 n m 2 ) 单位：点载荷n ；线载荷n m m 计算填充风力 迎风 挡风面 点、线 名称风载荷 高度系数 系数 面积 系数分布 桅杆2 6 0 m 0 31 23 5 1 51 5 73 2 3 6 3 8 线0 0 6 7 摇臂2 5 0 mo 31 _ 21 9 1 61 61 7 7 6 8线0 0 3 9 杆身2 2 0 m o 31 26 8 5 41 5 76 0 0 2 8 7 线o 0 7 1 调幅绳2 6 0 m11 24 0 017 8 1 6 6点3 9 0 8 3 起重绳 1 0 m 分段 11 21 4 1 8 6 5 点4 1 8 6 5 吊件( 横担)累加计算0 1o 78 4 0 41 8 4 表1 - 3非工作状态风载 ( w o = 5 5 1 7 n m 2 )单位：点载荷n ；线载荷n m m 计算填充风力 迎风 挡风面点、线 名称风载荷 高度系数系数面积系数分布 桅杆 2 6 0 m0 31 23 5 1 51 5 72 9 1 2 7 3 8 线0 6 0 2 摇臂 2 5 0 m0 31 21 9 1 61 61 5 9 9 1 1 7 线0 3 4 8 杆身 2 2 0 mo 31 26 8 5 41 5 75 4 0 2 5 8 2 线0 6 4 3 调幅绳2 6 0 m l1 - 24 o o1 7 0 3 4 9 7点3 5 1 7 5 1 0 m 分段吊钩距 起重绳 11 213 0 7 0 4 7 6 点3 0 7 0 5 累加计算地面3 m 1 0 m 分段吊钩距地 起重绳 l1 2l8 0 4 2 5 4点8 0 4 3 累加计算面2 3 0 m 1 4 3 其他荷载 抱杆系统除了受到基本荷载与风荷载作用以外，还会受到温度荷载与特殊 1 0 荷载的作用，其中温度荷载是指由于抱杆各杆件之间温度变化不一致而引起的 抱杆的应力的变化，特殊荷载是指偶然作用在抱杆上的各种随即荷载，温度荷 载与特殊荷载在本文中不作计算。 1 4 4 抱杆系统受力示意图 l 一么 g l p t 飞 ll 7 l象kj 摇臂重量l 腰箍 杆身重量翥力一i一l 调幅绳重量 l 调幅绳牵引力 目 p z 腰箍 q w ：桅杆风载 q b ：摇臂风载 a ) f h 2 f , q w 图卜4 抱杆受力图a ) 正视图b ) 侧视图c ) 俯视图 、 二 ；l = 苫 二叉 喜l ；l b ) 1 5 限元研究方法 目前国际上较大型的面向工程的有限元通用程序有几百种，其中著名的有： n a s t r a n 、a n s y s 、a s a k 、a d i n a 、s a p 等“”，本文采用成熟的有限元分 析软件m s c n a s t r a n & p a t r a n 对抱杆进行一系列有限元分析，将分析的结果与相 关规范、相关理论做比较，得到结论并提出修改意见。 m s c p a t r a n 软件诞生于1 9 8 0 年前后，是在美国国家宇航局n a s a 的资助 下，蕴育而生并日益完善的新一代计算机辅助工程分析( m c a e ) 前后处理系统。 它率先把工程分析人员从繁重的数据准各工作中摆脱出来，并且能将计算结果 以多种方式提供给用户，实现计算结果的可视化。m s c p a t r a n 是工业领域最著 名的并行框架式有限元前后处理及分析仿真系统。其开放式、多功能的体系结 构可将工程设计、工程分析、结果评估、用户化设计和交互图形界面集于一身， 构成一个完美的c a e 集成环境。 m s c n a s t r a n 是由国际著名的通用有限元分析软件公司m s c s o f t w a r e 公司推出的一个大型结构有限元分析软件，针对实际工程应用，m s c n a s t r a n 中有近7 0 余种单元独特的单元库，所有这些单元可满足m s c n a s t r a n 各种分析 功能的需要，且保证求解的高精度和高可靠性。其分析功能包括静力分析、模 态分析、屈曲分析、热应力分析、动力学分析、热传导分析、非线性分析、流 一固耦合分析、设计灵敏度分析及优化分析、超单元、气动弹性分析、高级对 称分析及数据库管理等。是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用 有限元分析软件，广泛应用在汽车、航空、航天、电子、土木工程、通用机械、 兵器、核能、医疗器械、铁道、石油和化工等各个领域。 m s c n a s t r a n 能有效的求解大模型，其稀疏矩阵算法速度快而且占用存储 空间少，内节点自动排序以减小半宽带，再启动能利用以前的计算结果。极大 的提高了软件的分析速度。 m s c n a s t r a n 软件作为一个有限元分析求解器，既可与m s c p a t r a n 紧密完 全集成，又可以独立适用，完全集成意味着在m s c p a t r a n 中完成前后处理后直 接递交给m s c n a s t r a n 进行求解，独立使用意味着只要有m s c n a s t r a n 所需要 的数据文件，就可以启动m s c n a s t r a n 进行计算。 本文采用了m s c n a s t r a n & p a t r a n 程序，应用m s c p a t r a n ，按照抱杆的施工 实际工况依据图纸及相关的设计资料建立抱杆有限元模型，用m s c n a s t r a n 进 行了有限元计算。完成了对该系统的整体刚度、强度和稳定性的计算。 1 2 第二章抱杆试验分析 实际结构的形状和受载情况一般都比较复杂，采用有限元方法分析，必然 要对实际结构加以简化，而用试验方法进行应力分析，可直接对实际构件进行 测试“。理想化模型的计算结果往往与实际情况不符合，有时候甚至得出相反 的结果，工程中需要采用实测的方法得出构件的实际应力1 。因此，为了确保 抱杆使用的安全可靠、验证抱杆的技术性能和制造质量，对抱杆在工作状态多 种工况下进行了验证性载荷试验，以检验其工作性能及结构可靠性，并可以对 有限元计算模型进行检验，确保双摇臂抱杆在施工过程中的安全可靠。 对工程结构的实验应力分析方法很多，较靠用的有：电阻应变测试法、光 弹应变测试法、光弹涂层法、电磁法、x 光射线法等。其中电阻应变测试法由 于传感元件小、测试精度高、操作简便、适应性强等优点，更加适应工程中的 实际应用“。本次试验采取的测试方法即为电阻应变测试法。下面就电阻应变 测试法的原理、实验研究及其应用作一简述。 2 1 试验测试原理 2 1 1 电阻应变测量的基本原理 电阻应变测量方法是将应变转换成电信号进行测量的方法，简称电测法。 电测法的基本原理是：以电阻应变片为传感元件，将其牢固地粘贴在被测构件的 表面测点处。当构件发生变形时，应变片随着构件一起变形，应变片的电阻值 将发生相应的变化，通过电阻应变测量仪器测量出应变片中电阻值的变化，并 换算成应变值，或输出与应变成正比的模拟电信号( 电压或电流) ，用记录仪记 录下来。也可用计算机按预定的要求进行数据处理，得到所需要的应变或应力 值。其工作过程如下“： 应变j 电阻变化j 电压( 或电流) 变化j 放大j 记录j 数据处理 电阻应变片变形的电阻和应变关系 等：k 占 ( 2 1 ) 只 、 。 式中r 为应变片电阻值，k 为应变片灵敏系数，s 为应变。 在单向应力状态时，只需在测点处沿主应力方向粘贴一个电阻应变片，然 后，用电阻应变仪测定其应变e ，由单向虎克定律： 盯= e f ( 2 2 ) 求得其正应力盯，这就是测点的主应力。 多向应力场中，在测点处贴应变花( 例如4 5 0 应变花) 。分别测出三个方向 的应变，、应用下式，得出构件测点的应力大小与方向“ 搿* 一叫岳f 瓣 t 哦2 撬 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 式中，v 为材料的泊松比，e 为材料的弹性模量，为吼与0 。轴线的夹角。 2 1 2 电桥电路原理 电桥电路是电测法的基本测量电路，在应变片式传感位移器中广泛采用双 臂工作的半桥接法和四臂工作的全桥接法。本文测试中采用的试验方法是半桥 温度补偿法，电阻应变仪中的电桥线路如图2 一l 所示“。它是以应变片或电阻元件作为电桥桥 臂。a 、c 和b 、d 分另l j 为电桥的输入端和输 出端。根据电工学原理，可导出当输入端加有 电压u 时，电桥的输出电压为： 砜= 蒂淌u s ) 当砜= 0 时，电桥处于平衡状态。因此，电桥 的平衡条件为r , r 3 = 恐日。当处于平衡的电桥 2 - i 半桥单臂温度补偿接法 中各桥臂的电阻值分别有挑、必、挑和弛的变化时，司近似地求得电桥 的输出电压为： 乩z 等( 等一等+ 等一等j s ，” 4l 墨 恐玛髓j 、 如果电桥的四个桥臂均接入相同的应变片，则有 u o ：掣( q 一岛+ 岛一) ( 2 - 7 ) 式中毛“分别为接入电桥四个桥臂的应变片的应变值。 2 1 3 温度补偿 在测量的过程中，由于试验环境的温度变化将引起构件和应变片产生温度 变形，而且各应变片处得到温度变化也不定相同。于是测得的应变值将包含 温度变化的影响，而导致测量的误差。为了消除有温度变化引起的测量误差， 试验测量中采用了电桥补偿法消除温度变化产生的测量误差，它是利用电桥相 邻两臂同时产生大小相等、符号相同的电阻增量不会破坏电桥平衡的特性来达 1 4 到补偿目的。 用一个特性相同的应变片，同样方法粘贴在与试验构件材质相同但不受力 的试件上，并置于相同的环境温度中作为补偿片，在测量时，如果温度变化， 温度补偿片与应变片引起的电阻增量不但符号相同，而且数量相等，使得桥路 仍然平衡，电桥如有输出，则完全为应变引起的。 2 1 4 试验测试仪器 考虑到工程的实际应用，本次试验的工具均较为简单。试验所用的主要仪 器是江苏东华测试技术有限公司生产的d h 一3 8 1 8 静态应变测试仪，用于记录应 变值。它是由数据采集箱、微型计算机以及支持软件组成的应变测试系统。可 自动、准确、可靠、快速地测量大型结构、模型及材料力学应力试验中多点的 静态应变应力值，它利用计算机控制，从而达到测点自动扫描、电桥自动平衡， 再通过其支持软件直接采集试验测试数据。 电阻应变片采用浙江黄岩传感电子元件厂生产的b x 系列箔式电阻应变计 b x l 2 0 5 a a ，应变片灵敏度系数k = 2 0 5 。应变片采用5 0 2 胶水粘贴，粘贴位置 要准确，并保证它随同构件变形，还要求应变片与构件同有良好的绝缘。另外， 应变片的丝栅上覆盖一层涤纶胶纸带，防止丝栅损坏。在丝栅与电线焊接完毕 后在丝栅上涂抹防水胶，避免丝栅受潮。电线与丝栅连接处也用胶带固定，防 止施工时的震动对丝栅的破坏。 试验前对所用的四只传感器进行了标定，标定采用w d w - 1 0 0 k n 微机控制 电子式万能试验机( 济南时代试金仪器有限公司生产) 对传感器( 江苏扬州联能 集团生产) 进行加载，具体标定的数据如下： 表2 - 15 0 k n 传感器标定数值表 l # 传感器2 群传感器 序号加载值( k n ) 显示载荷值( k n )误差( )显示载荷值( k n )误差( ) 1l o1 0 0 1o 1 0 l o o l0 1 0 22 02 0 1 50 7 5 2 0 1 0o 5 0 33 03 0 2 00 6 7 3 0 1 80 6 0 4 4 04 0 2 2o 5 6 4 0 2 50 6 3 55 05 0 3 5o 7 5 0 3 80 7 6 表2 - 21 0 0 k n 传感器标定数值表 3 # 传感器 4 # 传感器 序号加载值( k n ) 显示载荷值( k n )误差( )显示载荷值( k n )误差( ) l2 02 0 0 3o 1 5 2 0 0 2o 。l o 24 04 0 1 5o 3 8 4 0 1 0o 2 5 36 06 0 3 3o 5 5 6 0 2 80 4 7 48 0 8 0 4 50 5 6 8 0 3 20 4 0 51 0 01 0 0 5 5o 5 5 1 0 0 4 8 0 4 8 2 2 抱杆在各试验工况下的系统荷载及试验荷载 2 2 1 试验工况要求 为模拟实际工作情况并确保达到对抱杆结构测试的要求，根据抱杆的使用 条件和受力特征，经研究分析选定当抱杆底部升至2 0 7 1 3 m 高度( 即最后一个 吊装高度) 时的五个试验工况进行测试，各工况情况如下托”： 1 正常吊装工况一：风向0 。，风速1 0 m s ，左右摇臂平衡起吊最大起重量 1 8 0 k n ( 含索具重量1 0 k n ) 。摇臂在此工况下测试抱杆整体及各部分运行情况。 ( 注：0 度风向为垂直摇臂方向) 2 正常吊装工况二：风向0 。，风速1 0 m s ，左右摇臂不平衡起吊起重量分 别为左右摇臂不平衡起吊起重量分别为1 2 6 k n ( 含索具重量1 0 k n ) 和1 8 0 k n ( 含 索具重量1 0 k n ) 。 3 正常吊装工况三：风向9 0 。，风速1 0 m s ，左右摇臂不平衡起吊起重量 分别为1 2 6 k n ( 含索具重量1 0 k n ) 和1 8 0 k n ( 含索具重量1 0 k n ) 。因试验现 场9 0 0 风向加载困难，根据换算，将左右摇臂不平衡起吊重量分别调整为1 2 4 k n ( 含索具重量1 0 k n ) 和1 8 2 k n ( 含索具重量l o k n ) 。 4 大风工况：风向0 。，风速3 0 m s ，左右摇臂不起吊重物，吊索( 5 根中1 8 m m 钢丝绳) 下垂1 0 m ，吊钩用单根1 3 m m 钢丝绳锚于地面。考虑实际吊索重量 远大于试验，取吊索重量1 0 k n 。 5 静载荷试验：无风，场地实际风速不超过8 3 m s 。左右摇臂平衡起吊 1 2 5 最大起重量，即2 2 5 k n ( 含索具重量1 0 k n ) ，提升至离地3 0 0 5 0 0 m m 位 置，保持静止1 5 m i n 。 2 2 2 抱杆在各工况下的系统荷载列表 l 、工况一作用下抱杆载荷 工况一下抱杆载荷主要有抱杆的自重、风载( 工作状态，风速1 0 m s ) 和 吊钩吊绳重量、起吊塔材重量。桅杆、摇臂、塔身风载为线分布载荷，调幅绳 和横担风载转化为单元节点力，具体数值如下表： 表2 - 3工况一下抱杆荷载表 风载 吊钩吊塔材 载荷自重 桅杆摇臂塔身调幅绳横担绳重量 重量 0 0 6 7 0 0 3 9 0 0 7 1 3 9 0 8 3 n4 1 8 6 5 n3 t1 5 t 数值 2 7 4 t n n u nn r a mn m m 4 x 222 2 、工况二作用下抱杆载荷 工况二下抱杆载荷主要有抱杆自重、风载( 工作状态，风速1 0 m s ) 和吊 钩吊绳重量、起吊塔材重量。桅杆、摇臂、塔身风载为线分布载荷，调幅绳和 横担风载转化为单元节点力，起吊塔材重量两摇臂不相等，为偏载，侧向风按 照最不利情况计算，即由小起吊载荷一侧吹向大起吊载荷侧，具体数值如下 表： 表2 - 4 工况二下抱杆荷载表 风载 吊钩吊塔材 载荷自重 桅杆摇臂塔身调幅绳横担 绳重量重量 0 0 6 70 0 3 90 0 7 13 9 0 8 3 n4 1 8 6 5 n3 t 数值2 7 4 t1 5 t9 6 t n m m n m mn r a m42 2 3 、工况三作用下抱杆载荷 工况三下抱杆载荷主要有拖杆自重、风载( 工作状态，风速1 0 m s ) 和吊 钩吊绳重量、起吊塔材重量。桅杆、摇臂、塔身风载为线分布载荷，调幅绳和 横担风载转化为单元节点力，起吊塔材重量两摇臂不相等，为偏载，侧向风按 照最不利情况计算，即由小起吊载荷一侧吹向大起吊载荷一侧，具体数值如下 表： 表2 - 5工况三下抱杆荷载表 风载 吊钩吊塔材 载荷自重 桅杆摇臂塔身调幅绳横担绳重量重量 0 0 6 7 0 0 3 9 0 0 7 13 9 0 8 3 n4 1 8 6 5 n 数值2 7 4 t3 t 21 5 t1 2 6 t n m mn m mn m mx 42 1 7 4 、工况四作用下拖杆载荷 工况四下抱杆载荷主要有拖杆自重、风载( 非工作状态大风，风速3 0 m s ) 和吊钩吊绳重量。桅杆、摇臂、塔身风载为线分布载荷，调幅绳和横担风载转 化为单元节点力，具体数值如下表： 表2 - 6 工况四下抱杆荷载表 风载 吊钩吊 载荷自重 桅杆摇臂塔身调幅绳横担绳重量 0 6 0 20 3 4 80 6 4 3 3 5 1 7 5 n 3 0 7 0 5 n 3 t 数值 2 7 4 t n m mn r a mn r a m d 22 5 、工况五作用下载荷 工况五下抱杆载荷主要有抱杆的自重、吊钩吊绳的重量和起吊塔材重量， 具体数值如下表 表2 7 工况五下抱秆荷载表 风载 吊钩吊塔材 载荷自重 桅杆摇臂 塔身调幅绳 横担绳重量重量 数值2 7 4 t0 n m m o n m m0 n m mo n 4o n 23 t x 21 9 5 t 2 2 2 3 抱杆试验载荷 由于抱杆试验中的风载在抱杆立态起吊时较难模拟，试