吊车梁在动载荷作用下的应力分析

第1章绪论1.1研究目的及意义随着社会的发展需求，建筑的兴起，吊车梁是炼钢厂房中非常重要的结构，吊车梁是否正常工作决定着钢铁生产的进程随着国家的发展社会的需求。吊车梁在工业建设中使用的十分广泛。有关数据表明国家有超过20亿平方米的厂房中有8成的厂房都拥有吊车梁。对于一般的炼钢厂来说，使用次数较多的都是450吨位的吊车梁。近年来吊车梁的安全性迎来巨大的挑战[3,4]，随着钢铁产业的快速发展，由于炼钢厂的不断增加产量扩大规模，伴随而来的就是吊车使用频率的大幅增加，从而进一步增加了吊车梁的工作负担。导致了炼钢厂吊车梁系统钢结构中的制动板、辅助桁架、水平支撑等偶尔发生破损开裂的现象[5]。其中，重型钢结构吊车梁超负荷运转对安全性能的影响尤为严重[6]。一般来说，钢结构吊车梁发生开裂现象的主要原因是由于疲劳开裂。根据有关文献炼钢厂厂房中的钢结构吊车梁系统有8成到9成的断裂损坏都是由于使用频率过大导致的疲劳引起的[7,8]，所以为了保证炼钢生产的安全，需要从根本上分析出断裂产生的具体原因，并给出有效的吊车梁改良方案，防止出现安全事故。1.2国内外研究现状吊车梁是工业厂房中非常重要的结构，根据国外研究成果及工程经验，传统钢吊车梁结构的加固仅仅依靠螺栓连接及焊接。于是，国内外学者改变传统观念，用一些新型材料来解决这个问题。例如，采用碳纤维增强复合材料，该材料或许虽然不会直接使得压力有所减弱，但其纵向层次性特点,降低了疲劳压力振幅，可以显著地改善疲劳强度[9]。许多国外学者对吊车梁轨道系统的结构做了大量的研究，例如，有关研究人员对全熔透焊接处箱式起重机轨道梁的断裂疲劳进行研究[10],考虑多轴应力状态和焊接残余应力状态的影响，预测钢结构吊车梁的疲劳寿命。但是在现阶段的疲劳设计过程中，吊车梁的欠载效应的等效系数依然按照传统的工作制进行考虑，没有考虑到现阶段更加频繁更加超负荷的工作生产，因此在某些场合难以满足现场实际工作的需要，存在严重的安全隐患[11]。此外，施其福[12]对于吊车梁的承载力和稳定性验算做了相应的研究分析。从上个世纪80年代开始，国内很多大型炼钢厂的吊车梁腹板上部开始出现裂缝的问题。郑云[13]等人对吊车梁的疲劳做了应力测试分析，指出在校核吊车梁疲劳强度时，要以实测欠载效应等效系数为参考依据，如果仍采用规范规定值校核，则不足以保证吊车的运行安全。常好诵等人通过测试一炼钢厂房吊车梁的性能情况，对其进行了有限元仿真研究对钢吊车梁的性能情况进行了全面分析，发现GB50017-2003中的炼钢厂房吊车的欠载效应系数0.8这一值得使用较实际相对较低，会引起一定的安全隐患，应将其调为0.9，从而保证吊车梁的使用寿命。张琳[14]采用Miner线性累积损伤准则分析法、多级载荷下疲劳累积损伤模型分析法以及DFR法三种方法，分别对两个吊车梁的疲劳寿命进行计算，计算所得到的疲劳寿命与吊车梁的目标寿命基本-致。采用DFR法计算可以较为准确的计算出吊车梁的疲劳寿命[15]，而其他两种方法的计算结果则相对有些出入。1.3本文的主要内容本文将应用ANSYS软件，以实际工程为研究对象，采用有限元分析法对吊车梁受到动载荷进行有效的模型建立，结合模拟检测得到的吊车梁变形数据与理论计算进行对比分析，结合实际情况分析吊车梁容易受损部位并多加进行检查与保养。第2章吊车梁相关基本理论2.1吊车梁的理论分析运行桥式起重机的梁结构称之为吊车梁。吊车梁上有吊车轨道，起重机在吊车梁的轨道上来回行驶。目前我国最主要使用的是钢筋混凝土吊车梁，混凝土吊车梁可采用预制或者现浇整体。吊车梁的钢结构在工作中受到外界的作用，包括荷载、温度、基础不均匀沉降，并且要求吊车梁的钢结构强度、塑性、韧性良好，还可以进行冷热加工和焊接性能。吊车梁的弯曲变形：我们在日常生活中会遇到如火车轮轴、桥式起重机这样的构件，当外力沿直杆轴线施加到这些构件上导致构件在这些力的作用下变为曲线，我们把这种变形称之为弯曲变形。通常在力学中把弯曲变形的构件称之为梁。一般情况下弯曲过大会对杆件造成负面影响，而吊车梁弯曲变形过大，则会影响系统的结构，如果过于严重很有可能造成重大事故。所以，我们应该对工程中的弯曲变形引起足够的重视。在理论上，构件结构的弯曲变形超过允许条件，即使在弹性范围，也看作疲劳失效。吊车梁的基本类型：悬挂式吊车梁,吊车梁悬挂在厂房顶拱的拱座上;(2)岩壁式吊车梁,岩壁式吊车梁又分为岩锚式吊车梁和岩台式吊车梁。岩锚式吊车梁，吊车梁用锚索锚杆固定在岩壁上；岩台式吊车梁，吊车梁固定在岩台上。（3）带形牛腿吊车梁，在钢筋混凝土上伸出带形牛腿作为吊车梁。悬挂式、岩壁式吊车梁的优势是不用建吊车柱，可在厂房未向下扩大开挖时施工吊车梁，还可以提前装吊车，以减少厂房的开挖跨度。吊车梁图片：厂房悬臂吊车梁带形牛腿吊车梁长龙山抽水蓄能电站地下厂房岩壁吊车梁2.2有限元分析概述有限元方法是一种现代设计计算方法，随着电子计算机的发展而迅速发展。在工程分析和研究中，我们常会遇到许多由常规微分方程，偏微分方程以及相应的边界条件（例如位移场，应力场和温度场）描述的现场问题。解决这种类型的现场问题有两种主要方法：使用分析方法来获得准确的解决方案，并使用数字解决方案来找到近似的解决方案。应该注意的是，分析方法只能解决相对简单的方程式属性和相对规则的几何边界的几个问题。对于许多问题，很少获得分析解决方案。为了找到一个近似解，需要研究的基数值解。当前在工程中有三种主要的实用数字解决方案：有限差分法，有限元法和边缘法。其中，有限元用途最广，解决问题的效率很高。它是当前在工程中使用最广泛的。下面是一个使用分析方法和数值解法来阐明有限元分析方法以及与之相关的一些关键概念的重要性的特定示例。如下图（1）所示，它是具有可变横截面的杆。杆的一端已连接，另一端承受了P的载荷。请尝试找出沿杆的任何部分的变形。其中，杆的上侧的宽度为w，杆的下侧宽度，厚度t,长度L以及杆材料的弹性模量为E。已知P=4450N,=50mm,=25mm,t=3mm,L=250mm,E=72GPa。采用解析法精确求解假设杆任一横截面面积为，其上平均应力为，应变为，根据静力平衡条件有：根据胡克定律有：（1）而任一横截面积为：（2）任一横截面产生的应变为：（3）将上述方程代入静力平条件，进行变换后有：（4）沿杆的长度方向对上式两边进行积分，可得：（5）表达式A（v）代入上式，并将两侧积分，以得出杆沿长度防线的任何横截面的变形:（6）当y分别取0、62.5、125、187.5和250的值时，在变截面杆的相应截面处沿杆的长度的变形量：u=0m;=27.51xm;=59.27x'm;=96.83xm;=142.80xm图（1）②将数值解应用于近似解可变截面杆沿长度方向分为4个独立部分。每个小截面都由等截面的直杆近似。具有相同横截面的直杆的横截面面积由相应的可变横截面杆的横截面积的平均面积表示。作为一个单元，小段通过节点连接。这样可变横截面可以通过包含5个节点和4个元素的模型来近似面板，如图（2）所示。假设横截面为A且长度为1的等截面直杆在轴向拉力F的作用下产生变形△I，则直杆截面上的应力与应变为：（7）（8）根据胡克定律：可得：（9）上面的方程式与线性弹簧的方程式F=kx非常相似，表明等截面的直杆，其中心点集中在力上，等分截面可以等效于弹簧，及其等效刚度是：（10）因此，可变截面杆可以看作是由4个串联的线性弹簧代表的模型。如下图所示，每个单元都可以看作是线性弹簧，其弹性行为符合以下公式：（11）其中每一个节点的受力，由静力平衡条件知，每一个节点上的受力值皆为0，即:节点1：节点2：节点3：节点4：节点5：

把外力P和反作用力R1从内力中分离开来，并重新对以上五个方程合并的方程组进行转换，得出：节点1：节点2：节点3：节点4：节点5：图（2）将上述方程组写成矩阵形式，有（12）将反作用力和外力分离出来，可以重组上述矩阵，得：（13）写成一般形式，可得：（14）即表示：[反作用力矩阵]=[位移矩阵][总体刚度矩阵]-[负荷矩阵]，根据题目的要求，代入边界条件，节点1的位移值为0，即=0，则有如下矩阵形式：（15）通过求解以上叙述得矩阵方程，从而得出每个节点的位移，进而可以求出每个节点的反作用力和每一个单元的应力及应变，得：（16）（17）根据变截面杆结构的已知参数可得：（18）2.3ANSYS软件的概述近年来，有限元分析技术已广泛应用于水利水电工程出行问题得科学研究。现阶段，ANSYS是世界顶级得大中型通用有限元分析软件。它有出色得操作界面以及完全交互得预处理和后处理过程。它具有色彩丰富，工程强大得模块库，原材料模拟库和求解器，可以有效地查找各种结构和不同领域的基础桩，驱动力，振动，线性和离散系统问题。自1972年成立和开发设计以来，ANSYS进行了30多年的逐步改进和修改。它已广泛应用于中国核工业，铁路，石油化工设备，航空航天，机械设备制造，电力能源工程项目，汽车运输旅行，国防军事工业，电子设备，建筑专业，造船业，生物医学工程，轻工业，地质和采矿，水利工程，日用品，电力以及其他一般工业生产和科学研究已成为世界最受欢迎的工程项目，使用最流行的程序进行了试点测试结合了第三炼钢厂的ANSYS已被应用地下工厂厂房岩抛锚吊车梁结构的数值计算方法。近年来有限元分析技术已广泛应用于水利水电工程出行问题的科学研究。2.4本章小结本章讨论了本文计算吊车梁相关的理论基础依据。主要分别介绍了本文所使用的有限元方法以及有限元方法的原理和一些性质，还介绍了ansys的适用范围及发展历史。吊车梁主体结构的有限元模型3.1参数选择与模型建立3.1.1吊车梁的模型建立根据首钢第三炼钢厂改造改制后的生产工艺标准和工业厂房结构，将450T起重机用于炼钢炉的进料跨度和钢水接收跨度，设计依据工业厂房的具体结构和制造的加工技术标准。该方程提出了6种类型的吊车梁，其长度分别为30m,27m,24m,21m,18m和12m。较大跨度的为30m；每台起重机吊装起重450T，起重机前后轴距21.2m，相邻起重机之间的短距离控制在5m。在计算时每个车轮的车轮压力为560kN，每个起重机有16个车轮。起重机的负载是从一端到另一端，而起重机梁的最大数量仅为30m。两台起重机上来了。当第一个起重机的16个轮子完全位于主梁上时，第二个起重机的最大数量仅为为4个轮子。选择分析类型控制模板作为结构特征控制模板；虽然称为梁，但具体的生产和加工过程是用薄钢板和厚钢板两种焊接而成。厚度为：0.05m。厚钢板的原材料为Q345，各向异性的原材料，原材料的弹性模量为200Gpa，泊松比为0.3.由于吊车梁的净重较大，因此必须考虑重量危险。原材料的体积密度为7800kg/,面密度为:0.05m厚的钢板，单位面积质量为390kg/;每个车轮的车轮压力为560kN,车轮与吊车梁接触。该点被添加了集中载荷，并且该载荷点还位于前后左右对称的表面上。根据《钢结构设计手册》进行计算,因关系到吊车梁制动板的作用，吊车其中一侧与上翼缘边缘接触摩擦受力,所以在横向施加0.912kN/m的均布载荷。将X,Y,Z方向的极限载荷施加到吊车梁左侧边缘线上的每个节点上，并在实际条件下保持计算模型的稳定性；Y,Z方向的极限载荷应用于起重机梁右侧边缘线中的每个节点。定向有限载荷模型的大小和形状与设计的30m吊车梁相对应。无论焊接方式如何，每个部分的上法兰、下法兰，轮辋和加强边缘均视为一个整体，这也是对称的空间结构。根据钢筋的尺寸和体积分数，创建复合材料的几何模型，然后采、使用智能网络划分对ANSYS仿真分析模型进行网络划分。根据吊车梁的结构特点选择beam189单元，如图3-1所示。图3-1ANSYS仿真分析网格划分模型3.1.2施加约束与载荷及其静力分析求解吊车梁的总长度为30m,依据“规范”(GB50017-2003)进行计算,当弯矩最大时,见图（1）,吊车合力作用于距离一端:

a=16.288m，b=13.712m的受力点,此位置处的截面也是最大弯矩的截面,即危险截面。图（1）1.约束与荷载的施加MainMenu1)在吊车梁两侧上施加位移约束：Main

Menu→Solution→DefineLoad→Apply→Structural→Displaceme→On

Nodes

2)在长度为16.288的节点点上施加集中载荷：

Main

Menu→Solution→DefineLoad→Apply→Structural→Force/moment→On

Nodes

3)施加均布载荷：

Main

Menu→Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Pressure→On

Beam4)静力求解：MainMenu→Solution→Solve→CurrentLS图3-2ANSYS仿真分析约束受力模型设置定义表：GeneralPostproc→Elementtable→DefineTable绘制弯矩图：MainMenu→GeneralPostproc→PlotResults→LineElemRes图3-3弯矩求解图绘制吊车梁变形图：MainMenu→GeneralPostproc→PlotResults→DeformedShape→Def+undeformed

图3-4吊车梁变形图3.1.3求解后吊车梁沿坐标方向的云图图3-5吊车梁x方向位移云图图3-6吊车梁y方向位移云图图3-7吊车梁x方向应力云图绘制云图的途径：MainMenu→GenernalPostproc→PlotResults→ContourPlot→NodalSolu1)位移云图：NodalSolution→DoFSolution→X&Y&Z-Compomentofdisplacement2)应力云图：NodalSolution→Stress→X&Y&Z-CompomentofStress图3-8吊车梁第一主应力云图绘制坝体第一主应力云图的途径：MainMenu→GeneralPostproc→PlotResults→ContourPlot→NodalSolu→NodalSolution→Stress→1stprincipalstress→okay3.2变形与强度校核计算1.根据ANSYS云图获得的信息：由图3-5知X方向位移的最大数值在吊车梁最右侧的底部，值为0.081mm。由图3-6知Y方向位移的最大数值在吊车梁的右侧底部，值为1.71e-12mm。由图3-8知X方向应力集中在吊车梁最左侧顶部，吊车梁X方向应力由左及右应力分布均匀。由图3-9知吊车梁最左侧顶部应力最大，此处最容易发生断裂破损，应多加注意。表3-3吊车梁静力计算结果最大值max最小值minX方向位移/mm0.081-0.081Y方向位移/mm1.71e-12-0.314主应力/MPa27861.80.3143.3本章小结本章对吊车梁进行简单的有限元在静力下模拟与分析，故可了解吊车梁在吊车车轮载荷施加下的位移场和应力场，从而熟悉吊车梁的安全性。有助于下一章对不同长度吊车梁有限元研究，更好地了解吊车梁在不同长度下的安全性。第4章450T吊车梁在不同长度下的应力分析本章在上一章节吊车梁的ANSYS静力分析基础上，再作用集中载荷载荷及均布载荷，研究吊车梁在轮压作用下的简单动力响应分析。主要运用反应谱分析方法通过吊车梁、位移云图、主应力云图以及主应变云图等综合考虑吊车梁在轮压作用下的整体响应，从而为以后的工程设计与使用等方面引起足够的重视和注意的方面。4.1吊车梁在轮压作用下的模态分析4.1.1计算不同长度吊车梁弯矩最大时的集中载荷受力点1载荷计算在设计过程中，吊车梁只是一个支撑梁。吊车梁的重量和垂直载荷（例如活动在和，灰色载荷，作用于上部轨道上的轨道和制动结构）可以根据车轮轮压承载增大系数=1.11，并考虑动力系数=1.1，吊车竖向载荷分向载荷分向系数进行计算，计算如下：957.264kN其中P——竖向计算轮压，kN;——竖向载荷分向系数；——标准最大轮压，560kN。吊车自重为163.84t，起重为450t,吊车车轮数为16，每轮横向的水平载荷增大系数=0.08。==15.04kN=1.5×1.3×15.04=27.37kN式中：——标准横向水平力，kN;——横向水平力，kN;横向水平力与竖向力的比值数值为0.286。吊车梁弯矩计算吊车长度为21.4m，两台相邻吊车的距离为5m，计算时，每个车轮压力为560kN。最危险的情况即为吊车梁拥有最大弯矩时吊车合力作用点距离一端为a时的情况，如图1所示。图1求最大弯矩当只有一台吊车在吊车梁上时，弯矩最大时吊车位置。1）支座反力式中：——A端支反力，kN;——在梁上的所有轮的合力，kN;——吊车梁的总长m。C截面上的最大弯矩式中：——最大弯矩，kNm;——轮的位置，m。最大弯矩的计算结果如下表4-1表4-1弯矩最大时，吊车在各种长度吊车梁上的位置点L吊车在梁上轮的个数a/mb/m301616.28813.712271614.78812.212241613.28810.712211611.7889.21218139.3488.6521286.35.74.1.227m吊车梁各项分析云图图3-127m吊车梁变形图图3-227m吊车梁x方向位移云图图3-327m吊车梁y方向位移云图图3-527m吊车梁x方向应力云图图3-827m吊车梁第一主应力云图由27m450T吊车梁的第一主应力云图可以看出吊车梁受最大应力处为吊车梁的左上端，最大应力的值为24415.6MPa。4.1.324m吊车梁各项分析云图图3-924m吊车梁变形图图3-1024m吊车梁x方向位移云图图3-1424m吊车梁Y方向应力云图图3-1624m吊车梁第一主应力云图由24m450T吊车梁的第一主应力云图可以看出吊车梁受最大应力处为吊车梁的左上端，此处最为危险，最大应力的值为21041MPa。4.1.421m吊车梁各项分析云图图3-1721m吊车梁变形图图3-1821m吊车梁x方向位移云图图3-1921m吊车梁y方向位移云图图3-2121m吊车梁x方向应力云图图3-2421m吊车梁第一主应力云图由21m450T吊车梁的第一主应力云图可以看出吊车梁受最大应力处为吊车梁的左上端，最大应力的值为17722.8MPa。4.1.518m吊车梁各项分析云图图3-2518m吊车梁变形图图3-2618m吊车梁x方向位移云图图3-2718m吊车梁y方向位移云图图3-2918m吊车梁x方向应力云图图3-3218m吊车梁第一主应力云图由18m450T吊车梁的第一主应力云图可以看出吊车梁受最大应力处为吊车梁的左上端，此处最为危险，最大应力的值为12785.5MPa。4.1.612m吊车梁各项分析云图图3-3312m吊车梁变形图图3-3412m吊车梁x方向位移云图图3-3512m吊车梁y方向位移云图图3-3712m吊车梁x方向应力云图图3-4012m吊车梁第一主应力云图由27m450T吊车梁的第一主应力云图可以看出吊车梁受最大应力处为吊车梁的左上端，此处最为危险，最大应力的值为4946.9MPa。4.2不同长度450T吊车梁载荷结果分析.通过4.1.2节的27m、24m、21m、18m、12m450T吊车梁在最大弯矩下静力分析的各项云图。最大应力的分析结果见表1；与此同时这6种梁按照规范（GB50017-2003）进行了应力计算，计算得出的最大应力数值同见表1。表1有限元计算结果和按规范计算结果的比较L/Mpa/Mpa相对误差/％3027861.8268733.552724415.6236713.0482421041208600.862117722.8174661.4451812785.512677.20.847124946.94886.11.2291计算结果表明,不同的部位最大应力有所不同。有限元得计算结果与规范计算结果相近,相对误差在1%至3.55%之间。两种方法相互检查，有限元计算结果和按规范计算结果相差无几。2结论1)吊车最大应力部位皆为吊车梁的左上端，且最大x方向最大位移处为右下端，y方向最大位移处为吊车梁左右侧的整个侧面，因此使用时应多加注意及保养问题，避免发生一些安全事故。2)使用有限元方法对吊车梁的设计改良,为产品的安全性提供了有力保证,为吊车梁进一步的优化设计提供有利的理论依据,为吊车梁的发展带来巨大效益。4.3本章小结通过以上分析计算结果得。不同长度吊车梁截面的不同，最大应力也不同，但最大应力部位基本一致，可以确定吊车梁易受损部位为左上端。并且有限元方法对吊车梁的优化设计保证了使用的安全性，为设计与建造提供了理论依据，为吊车梁的使用带来巨大便利。结论本文主要研究吊车梁在吊车轮压作用下的应力与位移等响应情况，且所有的研究都必须在保证安全的情况下进行分析。首先对于吊车梁进行集中荷载作用的静力分析，得到吊车梁的应力场与位移场，从而对吊车梁的安全性能有所了解。得到450T吊车梁在正常工作情况下，吊车梁的强度和变形均满足要求的结论。然后选取吊车梁最大弯矩的集中载荷受力点进行分析，同样得到在轮压载荷作用影响下，吊车梁的应力和位移响应状况。结果均在可控制范围之