大型钢桁架结构设计与分析.pdf

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1、第５期（总第１９８期）机械工程与自动化Ｎｏ．５２０１６年１０月ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ＆ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＯｃｔ．文章编号：１６７２-６４１３（２０１６）０５-０１０２-０２大型钢桁架结构设计与分析郑鹏，马晴川（沈阳工业大学机械工程学院，辽宁沈阳１１０８７０）摘要：设计了一种应用于大型压力铸钢中的桁架结构，用于承载压力铸造设备。通过对桁架结构进行受力分析，确定了合适的杆件结构、各部件钢材型号以及钢轨安装方式，建立了桁架结构的简化模型，并应用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ对桁架整体结构进行了有限元静力分析和模态分析，验证了所设计桁架结构的刚度和强度，确保运载小车工作

2、过程中桁架结构的稳定性，避免其发生共振。关键词：桁架；结构设计；ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ；模态分析中图分类号：ＴＰ３９１.７文献标识码：Ａ1工程整体概况桁架结构外部载荷主要来源于运载小车，运载车工程的目的是在现场搭建一种大型压力铸钢设在底部布置有４对车轮，各车轮最大轮压相同，运载小备，设备整体包括底部桁架支撑结构、运载小车、钢包车轮距尺寸如图２所示。锁紧结构等。运载小车通过钢轨架设在桁架结构上，装载导液管与模具行至压铸工位处，液压缸顶起钢水包，钢水通过倒液管充满上方模具完成压铸。压力铸钢设备整体结构示意图如图１所示。图２运载小车轮距尺寸本空间桁架设计计算时应分解为４个平面桁架，

3、每个平面桁架所受载荷P为：P＝rquPｍａｘ．其中：rq为小车荷载分布系数；u为小车竖向载荷系数；Pｍａｘ为运载车的最大轮压。设计桁架结构时，首先通过确定桁架杆件内力值从而初步确定杆件截面面积，然后通过绘制影响线的方法解决移动荷载作用下的结构杆件内力计算问［１］题。本桁架上弦杆最大轴心力为２２６８ｋＮ，下弦杆最大轴心力为４７５８ｋＮ，斜杆最大轴心力为１２４４ｋＮ，竖杆最大轴心力为４８０ｋＮ。１-液压缸；２-钢桁架；３-钢水包；４-钢轨；５-运载小车；６-倒液管；７-压铸模具２．２杆件钢材选型图１压力铸钢设备整体结构示意图桁架结构上弦杆为受压杆件，下弦杆为受拉杆件，本文主要探讨压力铸

4、钢中的桁架支撑结构设计，根据桁架内力最大值情况选用Ｑ２３５钢，依据强度计［２］要求其能够承担运载小车及所装载钢包等其他设备共算准则选取合适的钢材型号。桁架除承受桁架轴心３００ｔ的载荷。桁架总长度设计为１５ｍ，桁架设计高力，还需承担运载小车竖向荷载在节间产生的局部弯为５ｍ，整体采用平行弦桁架结构，考虑运输过程中的矩，所以上、下弦杆截面优先采用宽缘翼轧制型钢，腹长度限制及现场安装快捷方便，将其设计为可拆分结杆和竖杆截面选用双等边角钢拼接而成，连接处使用构，利用五组独立的钢桁架现场拼装形成整体桁架。节点板焊接。2桁架结构设计为保持桁架结构中杆件具有足够的刚度，避免动载２．１桁架杆件内力计

5、算荷引起的桁架周期振动效应，在设计过程中桁架杆件的收稿日期：２０１５-１２-０７；修订日期：２０１６-０８-１１作者简介：郑鹏（１９６４-），男，辽宁沈阳人，教授，博士，主要研究方向：复杂表面数控制造技术、反求工程、现代制造技术及精密测量等。２０１６年第５期郑鹏，等：大型钢桁架结构设计与分析・１０３・最大长细比应小于允许长细比。长细比的计算公式为：图４为运载小车在跨中时桁架的应力云图。钢桁＝l／λr．架结构主体材料的屈服极限为２３５ＭＰａ，考虑安全系其中：l为桁架杆件的计算长度；r为桁架杆件对自身数为１．２，材料的许用应力［c］＝σ２３５ＭＰａ／１．２＝轴的回转半径。１９５．８３Ｍ

6、Ｐａ。由图４可以看出，最大应力发生在桁架桁架上下弦杆、腹杆、竖杆的最大长细比和允许长中间支撑杆件和上弦杆上部分，其最大应力为１０３．８７细比见表１。ＭＰａ＜［c］，可见桁σ架结构具有较好的强度性能。表１桁架杆件长细比３．３桁架结构模态分析杆件名称钢材型号最大长细比ｍａｘ允许长细λ比［］λ模态分析是对设计的桁架结构进行固有振动特性上／下弦杆ＨＷ３９４／３９８８４１５０／２００分析，用于确定结构的固有频率和振型［４］。对桁架结斜腹杆２Ｌ１４０×１２９０１５０构进行模态分析求解时忽略结构中各连接件间及外部竖腹杆２Ｌ１２５×８６１５０的阻尼作用，提取桁架模态分析结果中的前８阶模态，3桁架有

7、限元分析分析数据见表２。３．１模型前处理完成初步选型设计之后，通过三维软件建立桁架整体模型，并导入ＡＮＳＹＳ有限元分析软件。桁架结构较为复杂，在有限元分析时应尽量简化模型的数量规模，桁架最上层铺有混凝土桥路板，钢轨材料主要为［３］Ｕ７１Ｍｎ，结构网格采用自动网格划分，划分的节点数为６９４０７０，单元数为３１５３０７。３．２桁架结构静力分析本文以运载小车在桁架中部工作时为分析工况。本桁架在室内搭建并且整体高度较低，所以忽略风雪载荷，结构自重载荷包括桁架结构自重与钢轨重量