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案例1-钢结构受力分析效验

1 概述

    钢结构受力分析主要由支架、滑轨、起吊结构和模组结构组成。针对钢结构货柜受力应力分析非标结构不能按照常规方法确定结构在不同载荷工况下的承载强度，则采用有限元分析方法对该结构进行详细的有限元分析与强度评定。

2 设计条件

2.1 应力分析工具

   钢结构受力分析、振动特性分析采用ANSYS有限元仿真软件。

2.2 结构3D图

   钢结构货柜结构设计外形尺寸为2110x740x1869mm，钢结构货柜总体结构如图2.1所示。 

图2.1 3D总体结构图

2.3 设计材料数据

    结构主材材质为铝合金6061，材料在设计温度下的力学性能参数如表2.1所示。

2.4 计算工况

    根据高压铝合金支架结构的技术要求，对结构进行如下分析。

    （1）静置状态

    （2）起吊工况

    （3）参照技术文件要求进行振动分析，振动工况如表2.2所示。

表2.2 最大加速度与频率

3、有限元分析过程

3.1 静置状态

3.1.1 实体模型

    根据钢结构货柜的设计结构，对模型进行适当的简化，忽略一些不影响总体结构应力分布的圆孔倒角，分析模型包括上盖、底盖和内部电气件结构。创建的实体模型如图3.1至图3.3所示。 

图3.1 总体结构实体模型

3.1.2 ansys强度分析有限元模型

    采用ansys workbench中实体单元solid186对钢结构支架总体结构进行网格划分，采用以六面体为主和Sweep扫略的组合网格划分方式，网格划分后的有限元模型如图3.2所示。有限元模型合计节点数2360262，单元数620115。

图3.2 总体结构有限元模型

3.1.3 边界条件

    在位移边界条件处理上，根据总体结构安装情况对滑轨连接位置施加固定约束。在静置状态下，进行静力分析的力学模型如图3.3所示。

图3.3 钢结构受力分析模型

3.1.4 钢结构应力分析计算结果

    通过对钢结构货柜总体结构进行静力分析，得到静置状态下的计算结果，其Von Mises钢结构应力分析分布云图如图3.4至3.5所示。 

图3.4 总体结构Von Mises应力云图

图3.5 支架结构Von Mises应力云图

从图3.4可以看出，高压铝合金支架在静置状态下总体结构最大Von Mises应力值为43.37MPa，远小于各材料屈服强度，则静置状态下总体结构强度合格。

3.2 起吊状态

3.2.1 边界条件

    在起吊状态下，钢结构货柜的有限元模型与静置状态下模型一致。

    在位移边界条件处理上，根据总体结构的起吊情况，对起吊位置施加固定约束。则在起吊状态下，进行钢结构货柜有限元分析的力学模型如图3.6所示。 

图3.6 ansys钢结构受力分析力学模型

3.2.2 ansys应力分析计算结果

    通过对钢结构货柜总体结构进行静力分析，得到起吊状态下的计算结果，其Von Mises应力分析分布云图如图3.7至3.8所示。 

图3.7 总体结构Von Mises应力云图

图3.8 钢结构受力分析支架结构Von Mises应力云图

从图3.4可以看出，钢结构货柜在静置状态下总体结构最大Von Mises应力值为91.53MPa，远小于各材料屈服强度，则起吊状态下总体结构强度合格。

 3.3 钢结构受力分析-模态分析

3.3.1 边界条件

    在位移边界条件处理上，根据总体结构安装情况对滑轨连接位置施加固定约束。其力学模型如图3.3所示。

3.3.2 计算结果

    通过对钢结构货柜结构进行模态分析，得到前5阶自振频率和前两阶振型，频率值见表3.1所示。

第一阶至二阶模态振型如图3.9至3.10所示。

图3.9 第一阶模态振型图

图3.10 第二阶模态振型图

    从图3.9至图3.10中可以看出，第一阶固有频率处上部模组振幅相对较大，第二阶固有频率处下部模组振动明显。

3.4 谐响应分析

3.4.1 边界条件

    在位移边界条件处理上，根据总体结构安装情况对滑轨连接位置施加固定约束；在力的边界条件处理上，根据振动环境，对有限元模型在结构竖直方向施加如表2.2所示的振动加速度，加载后力学模型如图3.11所示。

图3.11 钢结构受力分析模型（竖直方向谐响应分析）

3.4.2 竖直方向谐响应计算结果

    在频率为16Hz至50Hz范围内，激励加速度最大，而50Hz与结构第二阶固有频率较接近，则可提取频率为50Hz时结构的动态响应，其谐响应分析结果如图3.12至图3.13所示。

图3.12 频率为50Hz时结构总体的von-Mises应力云图

图3.13 频率为50Hz时支架von-Mises应力云图

    从图3.12可以看出，在频率50Hz时结构总体von-Mises应力值位于底部模组与支架接触处，应力最大值为26.47MPa，小于材料的许用应力，满足结构强度要求。

    从图3.13可以看出，在频率50Hz时支架最大von-Mises应力值为16.93 MPa，提取该点在激励频率范围内的动态响应结果如图3.14所示。

图3.14 最大应力值点Y向正应力随频率的变化曲线

    从图3.14中可以看出，在外加激励频率与第二阶固有频率接近时，提取点的Y向正应力较大，其值约为16.4MPa，对应频率约为47.3Hz。则在该频率下，铝合金支架各部件的Von-Mises应力云图如图3.15至3.17所示。

图3.15 频率为47.3Hz时总体结构Von-Mises应力云图

图3.16 频率为47.3Hz时支架Von-Mises应力云图

图3.17 频率为47.3Hz时滑轨Von-Mises应力分析云图

从图3.15可以看出，竖向振动作用下铝合金支架总体von-mises应力最大值位于底部模组与支架接触处，其最大值为25.4MPa。

从图3.16可以看出，竖向振动作用下支架最大von-mises应力值为16.35MPa，小于材料屈服强度，强度合格。

从图3.17可以看出，竖向振动作用下滑轨最大von-mises应力值为10 MPa，小于材料抗拉强度，强度合格。

4、钢结构受力分析结论

    通过钢结构受力分析在不同工况下进行有限元分析，得到如下结论。

    （1）设备在静置状态和起吊工况下总体结构强度满足要求；

    （2）设备在竖向振动工况下总体钢结构应力分析强度满足要求。

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