基于有限元的行车钢梁悬挂加载优化及强度分析
时间：2023-01-20 15:05:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
钱彬彬
（沈阳新松机器人自动化股份有限公司， 辽宁 沈阳 110000）
某企业为提高生产效率，打造智能车间，提出以现有车间行车钢梁为基础，在其下侧悬挂安装智能设备，经过验算钢梁强度不足，在竖直方向抗弯强度足够，而在钢梁截面方向抗扭转强度不足。
基于此将对钢梁及其悬挂组件提出的加强补强优化方案，并进行强度分析。本文对补强后的实际工况进行合理简化及建模， 采用有限元法进行仿真计算， 为企业项目安全实施及补强方案实施提供有力的理论指导，有极大的安全生产意义。
1.1 钢梁及负载参数
现场行车钢梁截面见图1，单根钢梁长8.1m。
悬挂机构与钢梁下翼缘板采用压板连接， 轨道与悬挂机构采用螺栓连接。
通过实际工况测绘进行三维模型建立及有限元分析约束客户现场自动化设备总重6.842t，为四点支撑平稳落在双侧轨道上，见图2；
钢梁为通过长宽及材质估算重为0.95t；
行吊自重及起重负载共2.7t。
通过质心与四支点位置关系[1]，结合力学公式换算，四个滑轮的轮压值见表1。
表1 自动化设备自重载荷（N）
图1 钢梁参数
图2 自动化设备重心位置
行车钢梁上侧的DEMAG 行吊与自动化设备不同时运行， 因此在自动化设备结构分析时不考虑DEMAG 设备的动载荷，即不考虑水平横向载荷与水平纵向载荷，并且不考虑DEMAG 负载。
对自动化设备重量及行吊重量进行力学拆解分析，依据《建筑结构载荷规范》[12]要求计算得到表2 的分析载荷表。
表2 分析载荷
1.2 优化方案
受空间限制， 自动化设备的四支撑滚轮在轨道的接触点较钢梁中性面存在偏心，导致钢梁承受偏载。原钢梁设计使用并未考虑下翼板的抗扭性能， 故需要对其进行补强优化[2]，见图3。
图3 钢梁及悬挂机构优化图
（1）对厂房端部悬挂机构腹板加厚，由原16mm 增加到30mm。
（2）悬挂机构与墙体间增加支撑件，抵抗滚轮接触点偏心导致的部分扭矩[3]。
（3）每个悬挂机构正上方，钢梁里外双侧均增加6mm厚的劲板。
通过分析自动化设备分别会停留在三种典型位置，即厂房端部、行车钢梁跨中、钢梁连接处，进行钢梁本体及悬挂机构强度变形分析[4]。
2.1 计算工况
工字钢结构分析工况有三个， 认为所有工况均为设备运行急停状态：
（1）工况一：新松设备位于厂房端部。
（2）工况二：新松设备位于厂房端部工字钢跨中。
（3）工况三：新松设备位于牛腿正下方。
强度计算重点在按优化方案建模后， 分析钢梁整体是否满足自身强度要求，对自动设备进行合理简化，而其重量均按实际滚轮的四个接触点进行布置。
钢梁材质为Q235B钢；
弹性模量：210GPa；
泊松比：0.274；
角焊缝：160MPa[5]。
2.2 简化处理
择结构端部16m 的区域进行分析 （厂房端部三根牛腿之间）。
由于实际结构是由钢板焊接而成，因此建模时选择壳单元，部分位置采用梁单元（导轨）。
焊缝采用壳单元模拟。
螺栓简化为MPC 或者短梁。
加固劲板采用焊接方式简化处理。
悬挂机构支撑采用螺栓连接，①位置与墙体连接，分析中采用六自由度固定约束；
②位置与悬挂机构腹板连接， 此螺栓可前后移动，因此要释放水平自由度；
③位置的顶钉螺栓抵抗悬挂机构水平变形，限制水平平动自由度即可。①的墙体连接直接使用SPC 处理， ②③的螺栓采用RBE2 刚性单元处理，并指定自由度，见图4。
图4 悬挂机构支撑件螺栓简化
悬挂机构的夹板螺栓， 简化为MPC 刚性单元[6]；
焊缝简化为按焊缝宽度创建单元进行分析，钢梁采用壳单元，轨道采用梁单元，见图5。
图5 有限元模型
3.1 变形分析
分析考虑正常使用状态下的变形， 因此计算时不考虑修正系数，分析加载的载荷见表1 变形类型，变形结果云图均为放大500 倍的效果图[7]。
由图6 可知（a）工况钢梁结构最大变形1.63mm，轨道最大为转移侧向0.38mm；
（b） 工况钢梁结构最大变形1.8mm，轨道最大为转移侧向0.37mm；
（c）工况钢梁结构最大变形1.1mm，轨道最大为转移侧向0.28mm。
图6 钢梁局部变形图
综上最危险设备位置时的最大水平位移不超过0.4mm，小于自动化设备平稳移动需求值1mm，滚轮对轨道没有侧向压力，进而加固后的方案，钢梁在截面方向不在下翼缘板大变形而导致的扭转力矩。
3.2 强度分析
由上节分析可知，钢梁、悬挂组件变形量均较小，强度分析则更关注钢梁与土建支撑台连接位置、 悬挂机构本体、钢梁本体应力大小。分析加载的载荷见表1 强度分析类型[9]。
钢梁整体应力图见图7。
图7 钢梁整体Mises 应力图
厂房端部工况的为钢梁长度方向仅有一侧固定支撑，载荷施加在钢梁和轨道的端部，见图8（a）。
在结构转角部位出现应力集中，最大应力197MPa，此应力为虚假应力。
钢梁在支撑台上固定位置，外圈的应力111MPa 左右，悬挂机构在140MPa 左右。
同理，该工况分析最大应力出现在结构转角部位，出现应力集中图中最大应力173MPa 位于钢梁在支撑台上固定位置，为虚假应力。
外圈真实应力在97MPa 左右，悬挂机构最大应力92MPa 左右， 与墙体支撑部位应力为124MPa，见图8（b）。
同理，该工况分析最大应力出现在结构转角部位，出现应力集中图中最大应力130MPa 位于钢梁在支撑台上固定位置，为虚假应力。
外圈真实应力在80MPa 左右，悬挂机构最大应力103MPa 左右，见图8（c）。
图8 工况局部Mises 应力图
3.3 疲劳分析
工字钢与C 型钩均为焊接结构， 为了确保结构在长时间循环使用中不破坏，需要对其进行疲劳分析。自动化设备设计寿命5 年， 结合实际工艺计算需往复运行2.2 万次以上。
根据设计规范要求， 疲劳分析的载荷与变形分析相同[8]。
疲劳分析过程：首先进行静力分析，然后使用静力分析结果进行疲劳分析[10]。静力分析由表3 可得。疲劳分析相关参数说明：
表3 分析载荷
（1） 载荷变化情况：选取的一个周期内的应力比变化为1～0。
近似为加载，不加载，见图9。
图9 应力变化曲线
（2） 选取的材料参数：钢，置信度为向下三个标准差， 统计结果失效概率为0.12%。
三个工况的疲劳分析结果分别为表4、表5、表6。由分析数据可知，当结构运行67.7 万次后，工字钢与牛腿的焊接处的最大等效结构应力达到160MPa，此处发生疲劳破坏[11]。
工况二应力图见图10。
图10 工况二应力图
表4 工况一疲劳分析结果
表5 工况二疲劳分析结果
表6 工况三疲劳分析结果
由此可知，在对工字钢和C 型钩进行加固后， 自动化装置在正常使用时的最大水平位移不超过0.4mm，牛腿支座下沉0.08mm。
强度分析时牛腿支座应力111MPa 左右，C 型钩140MPa 左右，C 型钩与墙体连接处
在以上计算分析的基础上对行车梁相关辅件进行加工制造及安装调试， 并开发大负载多单元的控制集成系统，完成现场的安装调试，见图12。
图12 现场加固后完成施工图
通过现场调试， 测得轨道综合定位精度达±1mm，满足了自动化设备的精度要求，同时不影响原行车使用，极大满足客户生产需要，完成老厂自动化改造，生产效能提升，为企业创造新的经济效益。
对行车钢梁及悬挂组件按文中加固优化建模后，通过有限元仿真计算。
遵循如下原则，加固钢梁，提高抗扭刚度；
轨道水平面内增加水平支撑，以减小偏心载荷产生的水平位移，可有效降低钢梁最大应力值。
分析可知：
（1）钢梁及轨道最大侧向位移不超过0.4mm，满足设备运行设计需求。
（2）钢梁在支撑台固定位置应力111MPa 左右，悬挂机构140MPa 左右， 悬挂机构与墙体连接处应力为124MPa，均满足各项指标。
（3）设备停留在土建支撑台位置时，悬挂机构增加背撑，钢梁承受设备的竖向载荷，此处结构刚性较大，导致结构应力水平偏高。
（4）给钢梁增加劲板、加厚悬挂机构腹板、悬挂机构与墙体增加支撑的加固方案能大幅度降低钢梁最大应力值。
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