鋼結(jié)構(gòu)有限元分析,鋼結(jié)構(gòu),有限元分析 破碎站鋼結(jié)構(gòu)有限元分析,,,,主要設(shè)計工作,1建立破碎站鋼結(jié)構(gòu)有限元模型 2有限元模型的模態(tài)分析 3有限元模型靜力學(xué)分析（應(yīng)變和應(yīng)力）,1在ANSYS9.0軟件中建立有限元模型,破碎站的主視圖,受料倉與給料機,受料倉和給料機共686個單元，其中梁單元598 個，桿單元88個，節(jié)點總數(shù)為597個,破碎平臺與控制室,破碎平臺和控制室共1055個單元，其中梁單元999個，桿單元56個，節(jié)點總數(shù)1008個，,模態(tài)分析,分別計算兩個模型的 1前20階固有頻率 2前3階振型圖 3前3階振型動畫,表4.1 受料倉與給料機各階固有頻率 (單位：HZ),表4.1 破碎平臺與控制室各階固有頻率 (單位：HZ),摘 要 本文主要對某煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)，一次破碎站鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。破碎站由受料倉與給料機和破碎平臺與控制室兩部分組成。對兩部分的鋼結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行有限元分析。在結(jié)果中找到危險的部位進(jìn)行具體的分析。 首先，建立受料倉與給料機的有限元實體模型。計算等效的載荷，計算出鋼結(jié)構(gòu)在載荷下的應(yīng)力和變形并分析它們的分布情況。 其次，破碎平臺與控制室求解過程和上邊的一樣，但是破碎平臺和控制室的連接是鉸接，所以在建模的過程中采用耦合的方法進(jìn)行處理。 最后，對兩個有限元實體模型進(jìn)行模態(tài)分析，分別求解出固有頻率和模態(tài)振型圖。 關(guān)鍵詞 有限元；鋼結(jié)構(gòu)；模態(tài)分析 ABSTRACT This dissertation mainly to an open coalmine ground production system, one broken to stand steel construction finite element analysis. Store -give material machine and broken platform- control room two parts make up the crush station. Finite element analysis to the steel construction of two parts comparatively. Find the dangerous part to carry on concrete analysis of the result. First of all, set up the finite element of Store -give material machine’s entity model. Calculate the equivalent load; solve out the stress and strain of the steel construction under the load and analysis their distribution situation. The next place, the course of solving is the same as above. But the connections of the broken platform and control room are the hinged joint, so deal with by coupling in the course of modeling. Finally, carry on mode analysis to two finite element entity models; it is solve the intrinsic frequencies and mode picture of shaking, respectively. Keyword finite element；steel construction；mode analysis 目 錄 中文摘要…………………………………………………………………………………Ⅰ 英文摘要…………………………………………………………………………………Ⅱ 1 前言………………………………………………………………………………………1 1.1有限元分析方法介紹……………………………………………………………1 1.2大型有限元分析軟件ANSYS介紹………………………………………………2 1.3主要工作…………………………………………………………………………3 2 受料倉與給料機的鋼結(jié)構(gòu)有限元分析…………………………………………………4 2.1建立有限元模型…………………………………………………………………4 2.2載荷等效計算………………………………………………………………………6 2.2.1主要結(jié)構(gòu)截面幾何參數(shù)……………………………………………………6 2.2.2實際載荷情況………………………………………………………………7 2.2.3實際等效計算結(jié)果…………………………………………………………7 2.3有限元分析結(jié)果…………………………………………………………………10 2.3.1受料倉與給料機整體位移…………………………………………………10 2.3.2分析部位圖…………………………………………………………………12 2.3.3支撐立柱結(jié)果………………………………………………………………13 2.2.4兩根縱梁結(jié)果………………………………………………………………17 3 破碎平臺與控制室的鋼結(jié)構(gòu)有限元分析………………………………………………19 3.1建立有限元模型…………………………………………………………………19 3.2載荷等效計算……………………………………………………………………22 3.2.1主要結(jié)構(gòu)截面幾何參數(shù)……………………………………………………22 3.2.2破碎平臺實際載荷情況……………………………………………………23 3.2.3破碎平臺實際等效計算結(jié)果………………………………………………24 3.3有限元分析結(jié)果……………………………………………………………………26 3.3.1破碎平臺與控制室整體位移………………………………………………26 3.3.2頂層橫梁結(jié)果………………………………………………………………27 3.2.3破碎機支撐梁結(jié)果…………………………………………………………26 3.2.4破碎機立柱結(jié)果……………………………………………………………29 4 破碎站鋼結(jié)構(gòu)模態(tài)分析…………………………………………………………………31 4.1受料倉與給料機的固有頻率和振型圖…………………………………………31 4.2破碎平臺與控制室的固有頻率和振型圖………………………………………32 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………35致 謝………………………………………………………………………………………36 英文資料原文 英文資料翻譯 IV 1 前 言 1.1有限元分析方法介紹 有限元分析的基本概念是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的(較簡單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能夠表示實際連續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在幾個世紀(jì)前就已產(chǎn)生并得到了應(yīng)用，例如用多邊形（有限個直線單元）逼近圓來求得圓的周長，但作為一種方法而被提出，則是最近的事。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強度計算，并由于其方便性、實用性和有效性而引起從事力學(xué)研究的科學(xué)家的濃厚興趣。經(jīng)過短短數(shù)十年的努力，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速從結(jié)構(gòu)工程強度分析計算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實用高效的數(shù)值分析方法。 有限元方法與其它求解邊值問題近似方法的根本區(qū)別在于它的近似性僅限于相對小的子域中。20世紀(jì)60年代初首次提出結(jié)構(gòu)力學(xué)計算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地將其描繪為：“有限元法=Rayleigh Ritz法＋分片函數(shù)”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一種局部化情況。不同于求解（往往是困難的）滿足整個定義域邊界條件的允許函數(shù)的Rayleigh Ritz法，有限元法將函數(shù)定義在簡單幾何形狀（如二維問題中的三角形或任意四邊形）的單元域上（分片函數(shù)），且不考慮整個定義域的復(fù)雜邊界條件，這是有限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一。 對于不同物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)模型的問題，有限元求解法的基本步驟是相同的，只是具體公式推導(dǎo)和運算求解不同。簡言之，有限元分析可分成三個階段，前處理、處理和后處理。前處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；后處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡便提取信息，了解計算結(jié)果。 1.2大型有限元分析軟件ANSYS介紹 成立于1970年的美國ANSYS公司，是目前世界上最著名的CAE（計算機輔助設(shè)計）軟件和服務(wù)的提供商之一。34年來，ANSYS公司一直致力于分析設(shè)計軟件的開發(fā)及分析咨詢服務(wù)，為全球工業(yè)界所廣泛接受，并擁有了全球最大的用戶群體：近13000家正式商業(yè)用戶（總裝機超過70000臺套）和超過100000家大學(xué)用戶；在美國《財富》雜志評選出的全球財富前100企業(yè)中；有73個是ANSYS的“集團(tuán)”用戶；許多國際化大公司以ANSYS軟件作為其設(shè)計分析標(biāo)準(zhǔn)。這些用戶群體涵蓋了機械制造、能源、石油化工、電子、土木建筑、汽車、鐵道、軍工、核技術(shù)、航空航天、造船、地礦、水利、生物醫(yī)學(xué)、日用家電等諸多工業(yè)領(lǐng)域，ANSYS是這些工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行國際國內(nèi)優(yōu)化設(shè)計、技術(shù)交流的主要平臺。 ANSYS軟件的最新發(fā)展總是領(lǐng)先于CAE領(lǐng)域的變革趨勢。它融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁于一體的多物理場耦合仿真的功能，集中代表了用于“虛擬樣機”最先進(jìn)的CAE技術(shù)；高度非線性分析功能是20世紀(jì)90年代大型通用CAE程序的標(biāo)志；與CAD軟件無縫的幾何模型雙向參數(shù)互動是CAD/CAE整體化協(xié)同仿真的基礎(chǔ)……。 近年來，ANSYS公司在CFD領(lǐng)域的發(fā)展更是令世人矚目：2000年ANSYS收購了CFD業(yè)界最著名的前處理工具ICEMCFD；同年收購了美國NASA研究中心的快速氣動選型工具CART3D;2003年收購了世界三大CFD軟件巨頭之一CFX。至此，ANSYS已經(jīng)在結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁各個物理場都擁有了最先進(jìn)的分析技術(shù)，實現(xiàn)了ANSYS的宏大夢想：強大的多物理場耦合分析，領(lǐng)先的多學(xué)科協(xié)同仿真。ANSYS在CFD領(lǐng)域的最新進(jìn)展，即 SYSCFD各具特色的“三劍客”：ICEMCFD、CART3D、CFX。ANSYS此次在CFD領(lǐng)域的最新進(jìn)展是ANSYS發(fā)展史上又一個重要的里程碑。嶄新的ANSYS產(chǎn)品體系將更好地滿足人們對CAE的期望和要求，推動并加強我國企業(yè)的研發(fā)實力。 ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。有限元分析軟件，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，Pro/Engineer NASTRAN、 Alogor、I－DEAS、AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級CAD工具之一。軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種不同版本，可以運行在從個人機到大型機的多種計算機設(shè)備上，如PC、SGI、HP、SUN、DEC、IBM、CRAY等。目前版本為ANSYS9.0版，其微機版本要求的操作系統(tǒng)為Windows 2000或Windows XP,也可運行于UNIX系統(tǒng)下。 1.3主要工作 首先，是要熟悉有限元軟件和材料力學(xué)的相關(guān)知識。所以，對材料力學(xué)書的典型習(xí)題，先用材料力學(xué)求解一遍，然后再用有限元軟件進(jìn)行求解。通過兩方面的結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)并解決問題。在鞏固材料力學(xué)基本知識的同時，還發(fā)現(xiàn)并解決在有限元分析過程中出現(xiàn)的實際問題。 其次，要熟悉畢業(yè)設(shè)計的鋼結(jié)構(gòu)。不但要弄清實際空間布置，而且要構(gòu)思好建模方案。對于大型的鋼結(jié)構(gòu)，優(yōu)化的方案會取得事半功倍的效果。建模的過程必須邊建模，邊檢查出現(xiàn)的錯誤，邊進(jìn)行修改工作。局部的錯誤，要在局部來解決，要是所有的錯誤混在一起，會出現(xiàn)錯誤太多查不出來的后果。 設(shè)計的過程和平時的學(xué)習(xí)過程是截然不同的。平時學(xué)習(xí)可以用先解決簡單的問題，發(fā)現(xiàn)難的問題可以回避，等到水平提高以后在解決?？墒窃O(shè)計的過程必須以最快的速度解決發(fā)現(xiàn)的新問題。例如，我在建立破碎平臺與控制室模型的最后階段，發(fā)現(xiàn)破碎平臺和控制室是鉸接，鉸接是具有相同的線位移，而其角位移不同。這個問題要是不及時的解決，就無法進(jìn)行下一步的求解的工作，并且會影響工作進(jìn)度。在安教授的指導(dǎo)下，查找相關(guān)的書籍，研究必要的相關(guān)知識，并作一定數(shù)量的相關(guān)試題。用最快的速度解決這個具體的問題。采用兩重復(fù)節(jié)點自由度耦合的方法，使相互重復(fù)的節(jié)點只具有相同的線位移，而其角位移不同。 對于載荷的等效計算也是非常重要的。不但弄清楚實際載荷的位置、數(shù)值、方向，而且要查閱相關(guān)的載荷等效公式，載荷系數(shù)。計算工作要求保證不出錯誤，而且需要計算多邊并對比結(jié)果。確定準(zhǔn)確無誤后，才能進(jìn)行下一部分的工作。 有限元計算出的結(jié)果，要進(jìn)行必要的保存。用有限元軟件圖形保存的命令保存圖片結(jié)果；用動畫的形式保存模態(tài)分析的結(jié)果；用有限元列表的命令保存重要的數(shù)據(jù)結(jié)果。對于這些結(jié)果要結(jié)合自己結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的分析，這樣不僅能驗證結(jié)果的正確性，還能提高自己的分析實際結(jié)構(gòu)的能力。 3 2 受料倉與給料機的鋼結(jié)構(gòu)有限元分析 2.1建立有限元模型 如圖2.1破碎站主視圖和圖2.2破碎機布置圖，它的工作過程是：卸料卡車間歇把最大入料粒度為1500mm的煤塊倒入受料倉，受料倉存儲大粒度煤塊。刮板給料機把受料倉的大粒度的煤塊連續(xù)的刮給破碎平臺的破碎機。破碎機把最大入料粒度為1500mm的煤塊破碎成最大排料粒度為300mm的煤塊，煤塊由底部的傳送帶傳出。 圖2.1 破碎站主視圖 圖2.2 破碎機布置圖 破碎站鋼結(jié)構(gòu)的彈性模量E＝200000MPa，泊松比m=0.3，質(zhì)量密度r=7.8×10-3kg/cm3。破碎站由支撐件H型鋼和斜支撐(角鋼)組成。在結(jié)構(gòu)離散化時，由于角鋼和其它部位鉸接，鉸接是具有相同的線位移，而其角位移不同。承受軸向力，不承受在其它方向的彎矩，相當(dāng)于二力桿，所以H型鋼用梁單元模擬，角鋼用桿單元模擬。破碎站是由受料倉與給料機和破碎平臺與控制室兩部分組成，故計算時是分別對這兩部分進(jìn)行的。離散后，受料倉和給料機共686個單元，其中梁單元598 個，桿單元88個，節(jié)點總數(shù)為597個，有限元模型如圖2.3和圖2.4所示。 圖2.3 受料倉與給料機有限元模型 圖2.4 受料倉與給料機有限元模型俯視圖 2.2載荷等效計算 2.2.1主要結(jié)構(gòu)截面幾何參數(shù) 破碎站主要結(jié)構(gòu)采用H型鋼梁，截面尺寸如圖2.5所示，各截面橫截面積A，截面慣性矩Iy，Iz和極慣性矩I如下。 圖2.5 截面尺寸 料倉及給料機支撐結(jié)構(gòu) 料倉及給料機六根支撐立柱(H500×400×12×20) A= 215.2mm2，Iy＝101947×104mm4，Iz＝21340×104mm4，I＝240×104mm4 料倉B－B面橫梁和給料機E－E、F－F面橫梁(H400×300×12×20) A=16320mm2，Iy＝48026×104mm4，Iz＝9005×104mm4，I＝181×104mm4 料倉C－C面和D－D面橫梁(H400×400×12×20) A=20320mm2，Iy＝ 62479×104mm4，Iz＝21339×104mm4，I＝234×104mm4 給料機兩根縱梁(H550×400×12×20) A=22120mm2，Iy＝125678×104mm4，Iz＝21341×104mm4，I＝243×104mm4 給料機六根橫梁(H400×400×12×20) A=20320mm2，Iy＝ 62479×104mm4，Iz＝21339×104mm4，I＝234×104mm4 其它橫梁(H400×300×12×20) A=16320mm2，Iy＝ 48026×104mm4，Iz＝ 9005×104mm4，I＝181×104mm4 斜支撐的橫截面積 125×12：A＝2856mm2 75× 6：A＝864mm2 2.2.1實際載荷情況 給料機自重載荷：65000kg 最大驅(qū)動扭矩：2*150kN-m 給料機動力載荷：垂直載荷系數(shù):1.3；水平載荷系數(shù):0.3 受料倉支撐柱實際支撐物料載荷：150000kg 給料機尾部受倉壓載荷：50000kg 給料機前部物料載荷：4800kg/m 物料沖擊載荷（或偏心彎矩載荷）：12000kg-m(作用于每個倉柱上) 走道平臺載荷:沿設(shè)備兩側(cè)考慮走道寬度為1米，按300kg/m2考慮 結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載：按0.6kN/m2考慮 地震載荷：地震烈度8度 料倉自重載荷：85000kg 清掃溜槽自重：6000kg 導(dǎo)料擋板自重載荷：30000kg 支撐結(jié)構(gòu)（除滑橇自重）:30000kg 2.2.2實際等效計算結(jié)果 走道平臺載荷 數(shù)值：q1＝3.6(N/mm) 位置：垂直作用在給料機兩根縱梁上。 風(fēng)載 數(shù)值：q2＝2.295(N/mm) 位置：-z方向的迎風(fēng)梁上。 驅(qū)動扭矩 數(shù)值：M＝195×106(N·mm) 位置：縱梁的前端，由破碎平臺傳遞過來。 料機尾部受倉壓載荷 數(shù)值：q3＝69.02899(N/mm) 位置：縱梁的尾部，方向為重力方向。 給料機前部物料載荷 位置：縱梁的E_E截面到給料機前端。 數(shù)值：q4＝67.200(N/mm) 導(dǎo)料擋板自重 數(shù)值：q5＝12.85714(N/mm) 位置：垂直作用在給料機兩根縱梁上。 清掃滑溜槽自重 數(shù)值：q6＝2.57143(N/mm) 位置：垂直作用在給料機兩根縱梁上。 圖2.6 作用在受料倉與給料機上的壓力載荷模型 受料倉支撐柱支撐物料載荷 數(shù)值：F＝300000(N) 位置：受料倉每根支撐柱的頂端，方向為重力方向。 物料沖擊載荷 數(shù)值：M＝28.000(N·mm) 位置：受料倉每根支撐柱的頂端，方向由右手定則判斷。 給料機自重載荷 Fy＝153833(N) 位置：受料倉每根支撐柱的頂端，方向為重力方向。 Fz＝45500(N) 位置：受料倉每根支撐柱的頂端，其水平載荷方向與風(fēng)載相同。 圖2.7 作用在受料倉與給料機上的集中載荷模型 圖2.8 受料倉與給料機的載荷模型 2.3有限元分析結(jié)果 2.3.1受料倉與給料機整體位移 最大z方向的位移出現(xiàn)在受料倉連結(jié)B－C－D面的水平橫梁上，其值為-4.272mm，如圖2.9所示，主要是由物料沖擊載荷和給料機自重載荷的水平分量引起的。 圖2.9 受料倉與給料機的z方向變形 最大y方向位移位于給料機縱梁最前端，如圖2.10所示，其中y方向位移為8.531mm，主要是由刮板給料機的驅(qū)動扭矩和給料機前部的物料載荷共同引起的。 圖2.10 受料倉與給料機的y方向變形 如圖2.11所示，x方向位移為4.492mm，最大等效位移在給料機縱梁最前端，位移為4.492mm，這里屬于懸臂梁，雖然有大截面的斜支撐，但是卻是要重點分析的部位。 圖2.11 受料倉與給料機的x方向變形 如圖2.12受料倉與給料機的整體變形，其中y方向的分量占的比重最大，它的方向和主要載荷在同一個方向。其它方向的分量所占的比重比較小。整體變形的最大數(shù)值為9.649mm。 圖2.12 受料倉與給料機的整體的變形 2.3.1分析部位圖 為了便于對出現(xiàn)危險部位位置的描述，參考圖2.13危險部位側(cè)視圖 1 2 3 4 5 6 7 ….. 8 9 10 11 圖2.13 危險部位側(cè)視圖 1……………B－B截面 2……………縱梁尾部 3……………C－C截面 4……………斜支撐 5……………D－D截面 6……………縱梁中部 7……………E－E截面 8……………F－F截面 9……………斜支撐 10…………斜支撐和縱梁的鉸接處 11…………縱梁前端 如圖2.13在y方向為實際物體的重力方向，也是立柱的方向。X方向為縱梁的方向?？v梁與水平面上傾10度。在垂直紙面的z方向有橫梁連接立柱和縱梁。 2.3.2支撐立柱結(jié)果 軸向力如圖2.14所示。由圖可見，支撐立柱受到軸向壓力作用，E－E面的兩根立柱軸向力較小，F(xiàn)－F面兩根立柱軸向力大，最大軸向力作用F－F面立柱底部至第一根水平橫梁之間，其值為-497590N。 圖2.14 立柱軸向力圖 軸向應(yīng)力如圖2.15所示。對應(yīng)的最大軸向應(yīng)力為-26.034MPa。因為這幾根立柱的截面幾何參數(shù)一樣，所以出現(xiàn)的位置與軸向力相同。 圖2.15 立柱軸向應(yīng)力圖 相對于立柱梁單元局部坐標(biāo)y軸的彎矩如圖2.16所示，E－E面兩根立柱彎矩較大，最大彎矩位于E－E面立柱頂端，最大值My＝0.993×108N·mm，最小彎矩位于C－C面立柱頂端，最小值My＝-0.995×108N·mm， 圖2.16 局部坐標(biāo)y軸的彎矩圖 對應(yīng)的應(yīng)力如圖2.17所示，最大應(yīng)力為33.031MPa。最小應(yīng)力為-33.118MPa。 圖2.17 局部坐標(biāo)y軸的彎曲應(yīng)力圖 相對應(yīng)立柱梁單元局部坐標(biāo)z軸的彎矩如圖2.18所示，最大彎矩位于B－B面中風(fēng)載作用面的立柱，底部最大彎矩0.126×108N·mm，在B－B面拉筋連結(jié)點處彎矩數(shù)值為-0.196×108N·mm，D－D面第一根水平橫梁處彎矩為0.25563×108N·mm， 圖2.18 局部坐標(biāo)z軸的彎矩圖 對應(yīng)的應(yīng)力如圖2.19所示，B－B面中風(fēng)載作用面立柱底部應(yīng)力為19.625MPa，底部連結(jié)點處應(yīng)力為30.605MPa，D－D面第一根水平橫梁處應(yīng)力為24.024MPa。 圖2.19 局部坐標(biāo)z軸的彎曲應(yīng)力圖 2.2.3兩根縱梁結(jié)果 兩根縱梁軸向力如圖2.20，可見兩根縱梁軸向應(yīng)力很小，最大軸向力192337N，位于F面和縱梁與斜支撐的接觸之間。這里的變形也是最大的。軸的方向與大部分的載荷方向近似垂直。在斜支撐與縱梁連接到縱梁的前端只承受彎矩，不承受軸向力。 圖2.20 兩根縱梁軸向力圖 兩根縱梁軸向應(yīng)力如圖2.21所示，可見兩根縱梁軸向應(yīng)力很小，最大軸向應(yīng)力＝13.066MPa，位于F面和縱梁前端之間。 圖2.21 兩根縱梁軸向應(yīng)力圖 相對于縱梁梁單元局部坐標(biāo)y軸的彎矩如圖2.22所示，其最小彎矩My＝-0.176×109N·mm，位于斜支撐與縱梁連接處，這里的彎矩最大驅(qū)動扭矩作用在懸臂梁頂端。 圖2.22 局部坐標(biāo)y軸的彎矩圖 對應(yīng)的應(yīng)力如圖2.23所示，最小應(yīng)力＝-97.755MPa，位于F－F面處，。 圖2.23 局部坐標(biāo)y軸的彎曲應(yīng)力圖 相對于縱梁梁單元局部坐標(biāo)Z軸的彎矩如圖2.24所示，其最大彎矩Mz＝0.174×108N·mm，這里是承受給料機尾部受倉壓載荷，位置是縱梁和C_C截面相連接。 圖2.24 局部坐標(biāo)Z軸的彎矩圖 對應(yīng)的應(yīng)力如圖2.25所示，最小應(yīng)力＝-47.911MPa。位于C－C面處。 圖2.25 局部坐標(biāo)Z軸的彎曲應(yīng)力圖 19 3 破碎平臺的鋼結(jié)構(gòu)有限元分析 3.1建立有限元模型 破碎站圖紙是二維圖紙，在建立有限元模型的過程中充分應(yīng)用了并行過程，料倉與給料機和破碎平臺與控制室兩部分是基本上同時建立起來的，破碎平臺和控制室兩部分是屬于同一個模型，應(yīng)該分別建立。由于承載核心部件破碎機的是破碎平臺，所以先從破碎平臺開始建立模型，再定義材料、單元類型、截面形狀還要兼顧后續(xù)進(jìn)程。 圖3.1 為破碎站右視圖，一共有四層的結(jié)構(gòu)：第一層，放置傳送帶，傳送帶把破碎機破碎下來的物料運走，第二層，放置核心部件破碎機器，第三層和第四層，主要是放置破碎機。最頂層有控制室和起重機。 圖3.1 破碎站右視圖 破碎站鋼結(jié)構(gòu)的彈性模量E＝200000MPa，泊松比m=0.3，質(zhì)量密度r=7.8×10-3kg/cm3。破碎站由支撐件H型鋼和斜支撐(角鋼)組成。在結(jié)構(gòu)離散化時，由于角鋼和其它部位鉸接，鉸接是具有相同的線位移，而其角位移不同。只承受軸向力，而且無其它方向的彎矩，所以H型鋼用梁單元模擬，角鋼用桿單元模擬。 破碎站是由料倉與給料機和破碎平臺與控制室兩部分組成，故分別對這兩部分進(jìn)行計算。離散后，破碎平臺和控制室共1055個單元，其中梁單元999個，桿單元56個，節(jié)點總數(shù)1008個，整體限元模型如圖3.2所示。 圖3.2 破碎平臺和控制室有限元模型 這個模型的破碎平臺是主要承載，破碎機自重載荷、最大驅(qū)動扭矩、物料沖擊載荷、上罩和下溜槽自重載荷和破碎機動力載荷等一系列重要載荷的重要部位，采用的支撐件H型鋼和斜支撐(角鋼)的面積都是最大的，所以在建立模型的過程中，控制單元長度大致是控制室的一半，這樣保證重要部位的精度，同時也符合網(wǎng)格劃分的粗精結(jié)合的基本原則。 控制室采用的支撐件H型鋼和斜支撐（角鋼）的面積都是較小的，主要承載，起重設(shè)備及起重載荷、控制室載荷、走道平臺載荷、結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載等。破碎站鋼結(jié)構(gòu)立柱底部與基礎(chǔ)相連，故立柱底部按固定端處理，即每根立柱底端的6個自由度都加以約束。破碎平臺與上部控制室采用鉸接連結(jié)，故破碎平臺與上部控制室在模型中采用特殊的方法進(jìn)行連接。破碎平臺的重要部分如下圖3.3 破碎平臺的有限元模型，共408個單元，420個節(jié)點。 在建立模型的過程中H型鋼和斜支撐(角鋼)的連接處的節(jié)點坐標(biāo)，應(yīng)該進(jìn)行必要的記錄和嚴(yán)格的控制。最忌諱到后期要建立新的連接的時候，發(fā)現(xiàn)沒有合適的節(jié)點。因為當(dāng)單元部分建立好的時候，后加節(jié)點，再改單元，修改的工作量將十分巨大。尤其在加載荷以后，加在單元的壓力載荷會因為單元號的改變而移動位置，嚴(yán)重情況會導(dǎo)致加的載荷難以再修改，再進(jìn)行重新加載荷非常麻煩。 圖3.3 破碎平臺的有限元模型 3.2載荷等效計算 3.2.1主要結(jié)構(gòu)截面幾何參數(shù) 破碎站主要結(jié)構(gòu)采用H型鋼梁，截面尺寸如圖31所示，各截面橫截面積A，截面慣性矩Iy，Iz和極慣性矩I如下。 圖3.4 截面尺寸 破碎平臺四根支撐立柱(H500×400×12×20) A=21520mm2，Iy＝101947×104mm4，Iz＝21340×104mm4，I＝240×104mm4 破碎平臺橫梁(H700×300×12×20) A=19920mm2，Iy＝16750×104mm4，Iz＝9010×104mm4，I＝198×104mm4 1.2. 2控制室 立柱(H300×300×8×12) A =9412mm2， Iy＝16340×104mm4，Iz＝5401×104mm4，I＝39×104mm4 水平橫梁(H300×200×8×12) A =7010mm2， Iy＝11361×104mm4，Iz＝1601×104mm4，I＝28×104mm4 斜支撐的橫截面積 125×12：A＝2856mm2 75× 6：A＝864mm2 90× 6：A＝1044mm2 3.2.1 破碎平臺結(jié)構(gòu)載荷 主要結(jié)構(gòu)斷面形式 立柱斷面：H500×400×12×20 水平梁斷面：H700×400×12×20、H700×300×12×20 斜支撐： 2<125×125×10、2<90×90×6 載荷情況 破碎機自重載荷：70000kg 破碎機動力載荷：垂直載荷系數(shù)：電機側(cè)1.8；非電機側(cè)1.55 水平載荷系數(shù):0.25 最大驅(qū)動扭矩：50kN-m；（過載扭矩）：300kN-m 物料沖擊載荷（或堵料載荷）：12000kg 走道平臺載荷：按500kg/m2考慮 結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載：按0.6kN/m2考慮 地震載荷：地震烈度8度 上罩和下溜槽自重載荷：15000kg 支撐結(jié)構(gòu)自重載荷：25000kg 控制室及起重維護(hù)結(jié)構(gòu)載荷 主要結(jié)構(gòu)斷面形式 立柱斷面：H300×300×8×12 水平梁斷面：H300×200×8×12 斜支撐：2<90×90×6 載荷情況 起重設(shè)備及起重載荷：10000kg（其中設(shè)備5000kg；起重量5000kg） 控制室載荷：8000kg 走道平臺載荷；按300kg/m2考慮 結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載：按0.6kN/m2考慮 地震載荷：地震烈度8度 支撐結(jié)構(gòu)自重載荷：15000kg 3.2.2破碎平臺實際等效計算結(jié)果 風(fēng)載荷 數(shù)值q1y＝0.789498(N/mm) 位置：-z方向的迎風(fēng)梁。 數(shù)值q1x＝0.84872(N/mm) 位置：-x方向迎風(fēng)梁。 破碎機自重載荷 數(shù)值：q2z＝182.20588(N/mm) 位置：非電機側(cè)支撐梁。 數(shù)值：q2z＝218.23529(N/mm) 位置：電機側(cè)支撐梁。 數(shù)值：q2x＝36.02941(N/mm) 位置：方向與風(fēng)載荷相同，水平作用在支撐梁。 物料沖擊載荷 數(shù)值：q3＝24.70588(N/mm) 位置：破碎機支撐梁。 上罩和下溜槽自重載荷 數(shù)值：q4＝6.47059(N/mm) 位置：破碎機支撐梁。 起重設(shè)備及起重載荷 數(shù)值：F＝35000(N) 位置：控制室頂層橫梁。 控制室載荷 控制室支撐梁， 位置：沿重力方向，在控制室支撐梁與控制室結(jié)合處。 數(shù)值q5＝24.000(N/mm) 破碎平臺的走道平臺載荷。 數(shù)值：q6＝4.96671(N/mm) 位置：控制室頂層橫梁。 控制室走道平臺載荷 第一層走道平臺長其載荷。 數(shù)值：F＝13539.6(N) 位置：如圖3.5。 控制室第二層和第三層平臺長相同。 數(shù)值：F＝12981.6(N) 位置：如圖3.5。 控制室頂層走道平臺載荷。 數(shù)值：q＝＝19.440(N/mm) 位置：如圖3.5。 圖3.5 破碎平臺的載荷圖 3.3有限元分析結(jié)果 3.3.1破碎平臺與控制室整體位移 分析變形是材料力學(xué)中一種重要的應(yīng)變分析（還包括轉(zhuǎn)角等），位移計算結(jié)果如下。由于風(fēng)載荷在y-z平面的作用面積很大，在頂層的z向梁和其它兩個方向的梁相比較較長，最大位移位于結(jié)構(gòu)頂層，位移值為7.233mm，在破碎平臺頂層的兩根梁，變形也較大，因為它承載起重設(shè)備及起重載荷、控制室載荷、走道平臺載荷、-z向的結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載等，如圖3.6所示。 圖3.6 破碎平臺和控制室整體變形 x方向最大位移為-7.19mm，出現(xiàn)位置和最大撓度出現(xiàn)的位置相同；由于y方向結(jié)構(gòu)剛度較大，故y方向位移較小，其最大值為-4.574mm，位于破碎平臺頂層的那兩根上，主要由起重設(shè)備及起重載荷、控制室載荷、走道平臺載荷引起；z方向最大位移為-1.426mm，位于破碎平臺的橫梁上，它是由風(fēng)載荷引起的，所以最小。 3.3.2頂層橫梁結(jié)果 通過觀察整體的彎曲應(yīng)力圖發(fā)現(xiàn)由沿著工字鋼中間平面彎矩引起的最大應(yīng)力部位為位于破碎平臺頂層的那兩根上，即與y方向的撓度相同。它的彎矩如圖3.7，它的左右兩邊的不對稱性是由于風(fēng)載荷引起的，最小值是-0.4×108 N/mm。 圖3.7控制室頂層橫梁局部坐標(biāo)y軸的彎矩圖 相對應(yīng)的應(yīng)力為,最大值為39.697 MPa。最小的值是-52.812 MPa，出現(xiàn)的位置與對應(yīng)的彎矩出現(xiàn)的位置相同。 圖3.8 控制室頂層橫梁局部坐標(biāo)y軸彎曲應(yīng)力圖 3.2.3破碎機支撐梁結(jié)果 對于其底部的兩根承載破碎機器的那兩根梁，承載找主要的載荷，雖然有同截面的若干根梁焊接上，并且有大截面的斜支撐，即T字梁進(jìn)行連接，以保證大截面工字鋼的四邊型穩(wěn)定性。它的彎矩是0.309×108N/mm。 圖3.7控制室頂層橫梁局部坐標(biāo)z軸的彎矩圖 最危險的位置是在與垂直方向上相接觸的那一點上，這里的要接觸兩個大型工字鋼和四個斜支撐，這樣更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。由于結(jié)構(gòu)的對稱性，兩根鋼梁的最值相同。所以校核一根就可，它的應(yīng)力也是出現(xiàn)在相同的位置，最小的應(yīng)力是-51.525MPa，最大價值35.509MPa。 圖3.8 控制室頂層橫梁局部坐標(biāo)z軸彎曲應(yīng)力圖 3.2.4破碎機立柱計算結(jié)果 工字鋼的軸向拉伸也是應(yīng)該考慮的，最大的拉力是在迎風(fēng)面的控制室的鉛直梁上，它的最大軸向力，如圖3.11是84919N,對應(yīng)的最大軸向應(yīng)力， 圖3.11 破碎平臺立柱軸向力圖 如圖3.12為，9.026 MPa。出現(xiàn)的位置為控制室的鉛直梁與破碎平臺鉸接處。最大的應(yīng)力為12.7025MPa。它的值不是很大，但是由于是鉸接處，對于分析還是很有意義的。 圖3.128 破碎平臺立柱軸向應(yīng)力圖 30 4 破碎站鋼結(jié)構(gòu)固有頻率分析 4.1受料倉與給料機的固有頻率和振型圖 模態(tài)分析用于確定鋼結(jié)構(gòu)的固有頻率。這使設(shè)計工程師們可以避開這些頻率或最大限度地減小對這些頻率上的激勵，從而消除過度振動。 振動模態(tài)分析用于求出結(jié)構(gòu)自然頻率和模態(tài)形狀，也稱固有頻率和主振型。該分析的結(jié)果對于實際工程設(shè)計有關(guān)參數(shù)的選擇（如激振頻率的確定、共振現(xiàn)象的避免與利用等）及進(jìn)一步的動力分析都很重要，因為結(jié)構(gòu)的基本頻率和模態(tài)信息能夠反映動態(tài)響應(yīng)特性，所以先求出受料倉與給料機各階的固有頻率，如表4.1，其中，不同階數(shù)數(shù)值相同的是復(fù)根。 模態(tài)分析主要用于決定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。這是結(jié)構(gòu)承受動態(tài)載荷的重要數(shù)據(jù)，同時，模態(tài)分析也是其他動力學(xué)分析的起點，例如瞬態(tài)動力學(xué)分析、諧響應(yīng)分析和譜分析的起點。 表4.1 受料倉與給料機各階固有頻率 (單位：HZ) 階 數(shù) 頻 率 階 數(shù) 頻 率 1 15.655 11 25.797 2 15.681 12 25.800 3 16.586 13 25.832 4 17.123 14 26.741 5 21.145 15 27.211 6 21.660 16 27.578 7 21.682 17 27.604 8 21.879 18 28.756 9 23.633 19 28.758 10 25.795 20 28.763 本節(jié)通過對受料倉與給料機的鋼結(jié)構(gòu)的有限元動力學(xué)模型的模態(tài)分析，算出了該受料倉與給料機的鋼結(jié)構(gòu)的前20階固有頻率和前3階振型圖。通過振型圖和動畫顯示，可以很直觀地分析受料倉與給料機的鋼結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能，為受料倉與給料機的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)。前3階振型圖。 圖4.1 受料倉與給料機的第1階振型圖 圖4.2 受料倉與給料機的第2階振型圖 圖4.3受料倉與給料機的第3階振型圖 4.2破碎平臺與控制室的固有頻率和振型圖 對鋼結(jié)構(gòu)的有限元模型的求解，一般不需要求出振動系統(tǒng)的全部固有頻率和振型，由于低階模態(tài)對鋼結(jié)構(gòu)振動系統(tǒng)的影響較大，因此本文僅計算了前20階模態(tài)。振動模態(tài)分析用于求出結(jié)構(gòu)自然頻率和模態(tài)形狀，也稱固有頻率和主振型。如表4.1。 表4.1 破碎平臺與控制室各階固有頻率 (單位：HZ) 階 數(shù) 頻 率 階 數(shù) 頻 率 1 5.6001 11 11.073 2 7.1065 12 11.102 3 9.4384 13 11.226 4 10.021 14 12.181 5 10.196 15 12.285 6 10.888 16 12.287 7 11.039 17 12.287 8 11.047 18 12.287 9 11.064 19 12.288 10 11.066 20 12.288 圖4.4破碎平臺與控制室的第1階振型 圖4.5破碎平臺與控制室的第2階振型 圖4.6破碎平臺與控制室的第3階振型 34