子模型技术在铸造起重机强度分析中的应用

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网友sxlw2014近日为您收集整理了关于子模型技术在铸造起重机强度分析中的应用_侯澍旻的文档，希望对您的工作和学习有所帮助。以下是文档介绍：子模型技术在铸造起重机强度分析中的应用侯澍1李友荣肖涵刘光临(武汉科技大学机械自动化学院湖北武汉430081)摘要提出了一种预测大型起重机结构疲劳寿命的方法。通过采用三维有限元(FEM)和子模型技术对某炼钢厂一台铸造起重机进行了强度分析,计算所得到的焊缝强度最薄弱环节与实际情况吻合。在现场动态测试基础上,运用Miner公式并结合修正后的p-s-N曲线及实际载荷谱,计算得到了该起重机主梁的疲劳寿命。关键词铸造起重机强度分析子模型技术FEM中图分类号TG231.1文献标识码ATheApplicationoftheSub-ModelMethodintheCastingCraneStrengthAnalysisHouShuminLiYouyongXiaoHanLiuGuanglin(WuhanUniversityofScience&Technology)ABSTRACTThispaperpresentsanewmethodtopredictthefatiguelifeofcastingcrane.ThestrengthofacastingcraneinasteelplantiscalculatedthroughadoptingFEMandsub-modelmethod.Theresultconformsthattheweakestpartofweldingstrengthisconsistentwiththeactualcase.Then,Onthebasisofthedynamic-staticstresstestatfield,thefatiguelifeofthecrane.smainbeamcanbeattainedbyintegratingwiththemodifiedp-s-Ncurve、theMinerruleandtheactualloadspectrum.KEYWORDSCastingcraneStrengthanalysisSub-modelmethodFEM1引言宝钢炼钢部转炉用430t/80@21.4m铸造起重机为进行扒渣和向转炉兑铁水等。扒渣机和转炉都位于起重机北端,因此主小车经常运行于主梁北端,主梁北端所受剪应力也最大。在长期重载作用下,发现该部位铅垂方向有100mm多长的焊缝已经开裂。为保证正常生产,避免重大事故的发生,拟对该起重机主梁强度进行分析,并预测其疲劳寿命。由于其结构较复杂,在目前的软硬件条件下,直接进行整体结构的精确有限元分析,进而准确预测其疲劳寿命有一定的难度。采用的子模型技术可以实现复杂结构的精确有限元分析,从而为该起重机的正常运行提供可靠的支持和保证。2子模型技术及应用2.1子模型技术简介在有限元分析中往往出现这种情况,即对于用户关心的区域,如应力集中区域,网格太疏不能得到满意的结果,而对于这些区域之外的部分,网格密度已经足够了。可以采取两种办法来)7)TotalNo1148December2004冶金设备METALLURGICALEQUIPMENT总第148期2004年12月第6期1作者简介:侯澍,男,1974年出生,2002年毕业于武汉科技大学机械设计及理论专业,讲师,博士研究生,研究方向为设备故障诊断及冶金设备的力学行为、强度分析得到这些区域较精确的解:1用较细的网格重新划分并分析整个模型;o只在关心的区域细化网格并对其分析。显而易见,方法1工作量太大,方法o即为子模型技术。采用子模型法对复杂结构进行结构强度分析时可分为两个步骤:1对整体结构进行总体分析,分析时结构作适当简化;o根据总体分析结果,对所关心的局部结构进行精确细化分析,得到这些局部结构较为精确的强度的分布结果。图1是子模型法进行复杂结构强度分析的流程图。由于交接面的等效位移边界约束和接触压力边界条件综合考虑了其它结构的刚度和载荷对细化分析结构的影响,所以只需对细化结构本身进行分析,可根据需要采用较细的网格或精度较高的二次单元,从而得到更加精确的解[1]。图1子模型法分析流程图2.2起重机主梁结构强度分析该铸造起重机桥架由两根主梁、两根副梁(四梁、四轨)和两根端梁组成,这些材料为Q235A的结构件通过钢板焊接和螺栓联接装为一体。它们之间的刚度是互相耦合的。由于该起重机的结构和负载均具有对称性,其计算模型可只取其一半。图2为起重机整体分析时的有限元网格模型图。经有限元计算发现在起重机靠近北端主、副腹板同端梁内板连接处(直角拐弯处)存在应力集中,且随着网格密度的加大而急剧增大(图3)。故对此位置进行了子模型分析,采用的壳单元子模型和壳单元到体单元的子模型技术相结合的方法,得到图4、图5所示的子模型。通过比较粗糙模型和子模型在切割边界的路径图(图6),可看出选择的切割边界是合适的。图7和图8分别是板单元子模型和三维实体单元子模型的剪应力分布图,从图中可以看出,两者的剪应力分布基本吻合。此时板单元子模型的网格长度为34mm,板厚度为25mm。图9中网格长度为17mm,小于板厚25mm,此时剪应力分布图2起重机整体分析时的有限元网格模型图图3北端主、副腹板同端梁内板连接处(图2A处局部放大图)图4细化一倍的子模型(板单元)错位,结果不正确。因此,在板单元模型网格划分中,网格密度必须控制,而且,网格的长度应大于板单元的厚度。将有限元计算结果和现场测试结果列于表1。)8)总第148期冶金设备2004年12月第6期图5由板单元到三维实体单元子模型图6粗糙模型和子模型在切割边界的路径图比较图7三维实体单元子模型的剪应力分布云图图8板单元子模型剪应力分布云图(网格长度为34mm)图9板单元子模型剪应力分布云图(网格长度为17mm)2.3计算结果分析1)表1将主梁测点应力的实测值与有限元计算值进行了比较,其相对误差为1.4%~4.2%,表明有限元计算值与实测值相符。2)重载主小车位于跨中时,最大拉应力出现表1现场实测值和计算值(满载小车位于跨中,单位:MPa)跨中最小主应力误差下盖板(最大主应力)北端直角焊缝剪应力测点实测值测点计算值-41.42-42.011.4%母材焊缝主腹板副腹板86.65100.6293.4698.66在跨中下盖板处,母材最大拉应力为86.65MPa,焊缝最大拉应力为100.62MPa。3)采用子模型技术计算得知,剪应力最大值出现在主梁北端的主、副腹板直角处焊缝(与端板之间的焊缝)处,该两处存在严重的应力集中,剪应力的变化梯度很大,随着距此直角处距离的增加,剪应力值迅速下降。4)主小车满载位于主梁北端时,副腹板北端直角处焊缝距直角处50mm处的剪应力最大,达98.66MPa;该铅垂方向焊缝有100mm长一段的剪应力超过60MPa。事实上,检测人员探伤时已发现在此处有一条100mm多长的焊缝已经开裂,计算结果与实际检测结果一致。3疲劳寿命计算3.1p)S)N曲线简介古典的p)S)N曲线理论认为[2],低于疲)9)侯澍等:子模型技术在铸造起重机强度分析中的应用2004年12月第6期劳极限的应力循环将不产生疲劳损伤(线性疲劳累积损伤理论)。现在不少试验已

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