Strand7: 应用实例: 大梁

BHP公司的Kembla港焦炭车跑道大梁疲劳分析

介绍

Strand7 Pty Ltd公司 工程咨询部 利用Strand7 分析了位于澳大利亚新南维尔士州BHP钢铁公司的Kembla港焦炭车跑道大梁结构。跑道大梁是焦炭传送轨道和管式输送结构控制系统的一部分。该工程还是BHP公司为Kembla港创造更清洁的环境而进行的环境工程的一部分。


焦炭运输车运行在跑道大梁支承着的吊车轨上为焦炉群运送焦炭。这种焦炭车的最高运行速度是每秒一米。大梁高两米,宽0.95米。大梁的顶和底部是由50毫米厚的钢板构成的,它的腹板则主要由16m毫米32毫米的钢板构成。跑道大梁的总长为431.79米,它由支撑在搁架上的多个梁段组成。每段大梁有6毫米的起拱。

起重机的轨道连接到155 CT 79埋件上,这些部件通过连续的纵向大焊缝与大梁腹板相连。埋件的腹板名义厚度为15.7毫米,考虑到设计寿命及其各种可能的腐蚀取计算厚度为13.5毫米。

这一工程共耗资九千三百万澳元(约四亿元人民币)

工作内容

分析的主要目的是估计大梁悬臂部分的总应力并对关键的焊缝区域进行疲劳验算。有限元分析的一个重要部分是针对此独特大梁悬臂部分的设计。这里特别地分析了155 CT 79腹板和大梁腹板之间的全部纵向焊缝,以研究在每节车厢的四个50吨车轮荷载作用下引起疲劳开裂的可能性。

二维分析

通过采用梁单元进行二维分析来找到跑道大梁的关键部位。考虑了不同时刻不同位置的车轮荷载节点力以确定最大设计弯矩和剪力值。Strand7的荷载工况包络线功能可以显示当运焦车从梁上开过时的弯矩和剪力包络图。


当大梁做为二维模型分析时,Strand7的任意截面生成器可确定梁的截面特性。下图为Strand7的梁单元渲染图。




三维分析

在完成二维分析以后,建立了一个具有梁单元、弹簧单元、壳单元和体单元的三维跑道大梁有限元模型。单元的大小,形状和数目经过仔细研究以确保大梁的弯矩、剪力和扭矩影响在分析中得到充分体现。一般来说,板单元中使用正方形网格(即长宽比近似为1),特别是要计算应力的部位。对预留空、形状突变区域的网格进行细分以计算应力集中。


86公斤BHP的吊轨和可调吊轨夹钳用8节点的体单元模拟以使正确的车轮荷载传递到大梁上。 Fabreeka SA47型起重机轨道铺垫和夹钳上的硬化橡胶用弹簧单元模拟。接触面也用弹簧单元来模拟。





模型统计数据

节点数 : 19521
梁单元数 : 1121
板单元数 : 12671
单元数 : 4968
方程数 : 97112


分析

考虑到焦炭运输车的最大行速为每秒1米,用线性静力求解器对跑道大梁进行分析。为了检查结构的总体平衡,计算了固定点的支撑反力。

分析中考虑恒载(即重力)、活荷载(即车轮荷载)、车轮偏心力和倾斜移动荷载以及这些荷载的组合。通常车轮荷载作为轨道顶部的体元表面压力来施加。最大弯矩作为板元的表面压力施加到受力板上。每种荷载工况代表不同时刻焦炭运输车的特定位置。


设计荷载是基于对结构的整个使用期中累积服务条件的上限估计(即考虑到了在搁架的服务期中,预期跑道大梁的使用产生的所有可能的操作和环境影响)。因此,按照设计标准,施加荷载时不考虑疲劳因素而修正,而在模型上施加极限弯矩和剪力设计值。

图中显示的应力分布是基于按板单元特性平均的结果。这种平均技术给出实际结构中最准确的真实应力分布图。可以在图中看到明显的应力分布的不连续性。

疲劳分析

疲劳分析依据"钢结构的疲劳设计及估算的应用规范"AS 4100-1990和BS7608:1993第11节进行。

为了考虑到每个部件上的所有设计作用力(即弯矩和剪力),考虑的设计应力范围包括所有正应力和剪应力。如果正应力和剪应力同时出现,则使用主应力。如果正应力和剪应力范围不在同一部位同时出现,则根据Miner法则进行损伤累加。


用紧邻焊缝潜在破裂位置的板元表面的最大高斯点应力值做为疲劳估计中的相关应力范围,而不用焊缝处的应力。因为已经考虑了焊缝处的局部集中应力大小和形状的最大可接受不连续度、加载条件、金属作用、残余应力、焊接过程和任何对焊接后的改进,这样的选择是合理的。
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