基于ANSYS的锚定支架力学性能研究

2018-07-09刘国东胡宗军

安徽水利水电职业技术学院学报 2018年2期

关键词：缆索锚定起重机

刘国东，胡宗军

(合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009)

缆索起重机在水电工程中应用广泛，主要应用于大型混凝土坝的混凝土浇筑作业、机械设备和钢结构的安装，尤其适用于高山峡谷中的混凝土高坝施工。

缆索起重机按其工作性质不同分为5个基本组成部分，即承载索、工作平台、小车、塔架和锚定支架，而锚定支架是缆索起重机地面部分的主要承力构件，直接影响着缆索起重机的起重性能和施工安全。

1 结构与有限元模型

锚定支架是连接缆索起重机与地面的结构，是缆索的承力构件。LQ2000/200kN型缆索起重机的锚碇支架结构主要由承力带、承力架、滑道机房墙架、屋檁架及屋檁板、JM28M型卷扬机机座架及铺板、8t起升卷扬机机座架及铺板和导向轮架组成。承力架上横梁、承力架中纵梁和屋檁架中纵梁均为工字型截面，尺寸，材质Q345-b。屋檁架和机座满铺钢板，其中屋檁板厚度为10mm，JM28M型卷扬机机座铺板和8t起升卷扬机机座铺板厚度均为6mm，铺板材质均为Q345-b钢。锚碇架结构中槽钢为，，材质为Q345-b。结构模型如图1所示。

利用ANSYS软件按照结构图纸建立锚定支架的有限元模型。有限元模型中各个构件的几何拓扑关系、截面和材料属性按照CAD图纸建立，钢材的弹性模量取E=2.10×1011Pa,泊松比取μ=0.3，考虑到连接件重量，钢材密度取ρ=8.2×103kg/m3(增加5%重量)，重力加速度取-9.8m/s2，锚定支架采用beam188梁单元模拟，承力带、屋檁板、铺板用shell181壳单元进行模拟。beam188梁单元与shell181壳单元之间刚性连接，在划分网格时使其共用节点，在节点处有相同的自由度。全结构共划分为8950个单元，12845个节点。有限元模型如图2所示。

图1 锚定结构图图2锚定支架有限元图

2 强度刚度分析

2.1 锚定支架荷载

除重力荷载之外，锚定支架承受的荷载有3类:T1为背索拉力，作用于承力带主索锚轮上，T1=300t，与水平面夹角28.814°。T2为JM28M牵引卷扬机作用力，T2=36t。T3为8t起升卷扬机作用力T3=8t。

2.2 边界条件

图3 锚定支架荷载

以8t起升卷扬机机座架横梁长度方向为X轴，竖直方向为Y轴建立直角坐标系。由于锚定支架下部通过预埋件固定在混凝土上，所以对锚定支架下部X、Y、Z方向进行约束，承力带下部由滑橇导轨固定在混凝土上，对承力带下部X、Y、Z方向全约束，约束如图3所示。

2.3 刚度分析

刚度是指材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力。在工程上，有些机械、桥梁、建筑物、飞行器和舰船就因为结构刚度不够而出现失稳，或在流场中发生颤振等灾难性事故，因此在工程中，必须要确保结构有足够的刚度。通过有限元分析，锚定支架的位移场如图4-图7所示。

图4 X方向位移图5 Y方向位移

图6 Z方向位移图7 总位移

由于在X方向上受一个水平分力，锚定支架在X方向的最大位移为3.06mm，Y方向的最大位移为0.71mm，Z方向最大位移为0.69mm，总的最大位移为3.08mm，小于允许位移17.1mm，所以锚定支架结构满足刚度要求。

2.4 强度分析

施加荷载,经过有限元计算，所得整体及各个构件的Mises应力云纹图如图8～图17所示。各个构件的最大应力及最大应力位置如表1所列。

图8整体Mises应力图9机械房Mises应力图10 8t起升卷扬机机座Mises应力

图11 JM28M型卷扬机底座Mises应力图12屋檁架Mises应力图13墙架Mises应力

图14承力连接架Mises应力图15导向轮架Mises应力图16承力带Mises应力图17承力带局部Mises应力

表1 最大应力分布表

由表1可见，卷扬机底座处的受力较小，在40MPa以下，墙架受力较大的点出现在斜杆处为101MPa，竖杆处受力较小，由于导向轮架上没有直接作用力，所以受力最小，在30MPa以下，承力带上有直接作用力，在承力带焊接版中间受力最大为278MPa，小于承力带Q345钢的许用应力290MPa，所以锚定支架强度满足要求。