行車鋼梁懸掛加載強度分析

□ 周 波 □ 錢彬彬

1.長飛光纖光纜股份有限公司 武漢 4300732.光纖光纜制備技術國家重點實驗室 武漢 4300733.沈陽新松機器人自動化股份有限公司 沈陽 110168

1 分析背景

隨著經濟的發展和科技的進步,我國將迎來智能制造時代,中國制造2025將引領傳統制造行業向智能制造轉變,國內的智能工廠進入發展的新高潮。長飛公司為提高生產效率,提出以現有車間行車鋼梁為基礎,在下側安裝導軌,懸掛安裝智能設備,代替以往人工操作行車上下料方式。在項目具體落地實施前,需進行行車鋼梁強度、結構、穩定性等多方面綜合驗算與分析。筆者對實際工況進行合理簡化及建模,采用有限元法進行仿真計算[1-3],為項目的安全實施提供技術參考。

2 受力分析

行車鋼梁基建時,坐落在土建支撐臺上。鋼梁通過下翼緣板焊接夾板,并與土建支撐臺采用螺栓連接,如圖1所示。單根鋼梁長8.1 m,鋼梁橫截面尺寸如圖2所示[4]。

▲圖1 行車鋼梁固定形式

智能設備重力載荷為68.42 kN,外形尺寸如圖3所示。智能設備由四角位置安裝的滑輪A、B、C、D坐落在行車鋼梁下掛的導軌上。鋼梁材料為Q235B鋼,質量約0.95 t。行車自身重力載荷為17 kN。四個滑輪的受力載荷見表1。

▲圖2 行車鋼梁橫截面尺寸

表1 滑輪受力載荷 N

行車運行在行車鋼梁上,與智能設備不同步運行,因此分析時不考慮行車的動載荷,也不考慮行車的起重負載。智能設備質心偏移,導致兩側導軌上滑輪的受力載荷不同。依據GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》[5]要求,變形載荷僅考慮滑輪A、B側導軌受力,強度載荷同時考慮雙側導軌受力,計算得到分析載荷,見表2。

▲圖3 智能設備外形尺寸

表2 分析載荷 N

行車鋼梁強度分析、變形分析時對載荷的處理方式有差異,設備帶負載運行時載荷需要特殊處理,因此僅對危險狀態的載荷進行計算。為考慮最大加減速驅動力,認為所有工況均為智能設備運行急停工況。

3 有限元建模

3.1 模型簡化

建立行車鋼梁有限元模型,如圖4所示。將鋼梁作為主要分析對象,對與其相關聯的懸掛機構做合理簡化,其余相關構件均以負載形式加載于與懸掛機構相連的導軌上。在鋼梁的機械性能中,彈性模量為210 GPa,泊松比為0.274,整體屈服強度為235 MPa,角焊縫處屈服強度為160 MPa。

▲圖4 行車鋼梁有限元模型

對有限元模型中的焊縫、螺栓、導軌進行局部簡化,如圖5所示。將懸掛機構與行車鋼梁下翼緣板連接處的壓板螺栓簡化為多點約束剛性單元,連接六個自由度。對焊縫進行簡化,在每個焊縫處按焊縫寬度創建單元。鋼梁細長比大,建模時選擇殼單元。導軌部分則采用梁單元[6-11]。

▲圖5 有限元模型局部簡化

3.2 邊界條件

實際工況中,僅行車鋼梁下翼緣板與土建支撐臺通過螺栓連接,上翼緣板通過連接筋板與預埋墻體螺栓連接。鋼梁端部約束如圖6所示。針對智能設備在鋼梁端部、鋼梁跨中、鋼梁與土建支撐臺拼接處三種典型位置,進行鋼梁本體及懸掛機構的強度變形分析,載荷加載位置如圖7所示。

▲圖6 行車鋼梁端部約束

▲圖7 載荷加載位置

4 變形分析

應用HyperMesh軟件,對行車鋼梁進行變形及強度分析。

變形分析考慮行車鋼梁正常使用狀態下的變形,因此不考慮修正因數,加載計算得到的分析載荷。

鋼梁變形圖如圖8所示。智能設備位于鋼梁端部時,導軌的最大側向位移為38 mm,位于鋼梁端部正下方的導軌端部。智能設備位于鋼梁跨中時,導軌的最大側向位移為30.7 mm,位于鋼梁跨中正下方的導軌中部。智能設備位于鋼梁與土建支撐臺拼接處,導軌的最大側向位移為28.6 mm,位于拼接處正下方的導軌部位。由分析可見,各種工況下鋼梁下翼緣板受扭變形量過大。

▲圖8 行車鋼梁整體變形

行車鋼梁下翼緣板的抗扭剛度較低,導致下翼緣板明顯扭曲變形,如圖9所示。側向位移過大,會導致智能設備中滑輪產生側壓,對鋼梁產生側向扭轉。由分析可知,鋼梁筋板僅與上翼緣板、腹板焊接,并沒有與下翼緣板焊接,導致鋼梁下翼緣板抗扭性能差。

▲圖9 行車鋼梁下翼緣板扭曲變形

5 強度分析

由變形分析可知,導軌的水平位移較大,此位移由行車鋼梁下翼緣板扭曲引起。懸掛機構僅為剛體位移較大,變形并不大。鋼梁應力較大的區域一般為鋼梁腹板下部和下翼緣板。

鋼梁端部應力云圖如圖10所示。鋼梁長度方向僅有一側固定支撐,最大應力為515 MPa,位于鋼梁筋板底部。此處結構存在突變,應力為虛假應力,真實應力應為350 MPa,而腹板與下翼緣板焊縫處的應力一般為210 MPa。

▲圖10 行車鋼梁端部應力云圖

鋼梁腹板下部應力云圖如圖11所示,最大應力值為394 MPa,產生于鋼梁腹板下部,且為虛假應力。鋼梁整體真實應力為260 MPa,腹板與下翼緣板的焊縫處應力為48 MPa。

▲圖11 行車鋼梁腹板下部應力云圖

鋼梁下翼緣板應力云圖如圖12所示。最大應力值為393 MPa,位于鋼梁筋板底部,亦為突變處虛假應力。鋼梁整體真實應力為267 MPa,腹板與下翼緣板的焊縫處應力為58 MPa。由于下翼緣板扭曲變形,導致鋼梁腹板的應力較大。

▲圖12 行車鋼梁下翼緣板應力云圖

6 結束語

筆者對長飛公司車間內行車鋼梁下側懸掛安裝智能設備方案進行變形和強度分析。

行車鋼梁加載后,導軌側向變形最小為28.6 mm,最大為38 mm,下翼緣板扭曲變形均較大,將導致滑輪與導軌產生側向壓力。

行車鋼梁應力結構存在突變位置,應力值為虛假應力,不予參考。外圍應力最大值為350 MPa,已超出鋼梁本體的屈服極限。

焊縫處最大應力位于行車鋼梁腹板與下翼緣板處,最大應力值為210 MPa,超過鋼梁角焊縫許可應力值(160 MPa)。

智能設備停留在行車鋼梁端部時,腹板及焊縫所受應力最大。停留在鋼梁跨中時,應力相對最小,變形相對較大。

通過分析可知,若在現有的行車鋼梁下翼緣板上直接進行智能設備懸掛安裝,則由于筋板較短且未直接與下翼緣板焊接相連,會導致滑輪與導軌存在側向壓力,對鋼梁本體產生扭轉力矩,使整個鋼梁的變形及應力均處于較高水平。筆者所做分析對行車實際項目改造具有技術參考價值。