? 大型钢桁架结构设计与分析 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ANSYS Workbench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；ANSYS Workbench；模态分析
1工程整体概况
工程的目的是在现场搭建一种大型压力铸钢设备，设备整体包括底部桁架支撑结构、运载小车、钢包锁紧结构等。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。
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
图1压力铸钢设备整体结构示意图
本文主要探讨压力铸钢中的桁架支撑结构设计，要求其能够承担运载小车及所装载钢包等其他设备共300 t的载荷。桁架总长度设计为15 m，桁架设计高为5 m，整体采用平行弦桁架结构，考虑运输过程中的长度限制及现场安装快捷方便，将其设计为可拆分结构，利用五组独立的钢桁架现场拼装形成整体桁架。
2桁架结构设计
2.1桁架杆件内力计算
桁架结构外部载荷主要来源于运载小车，运载车在底部布置有4对车轮，各车轮最大轮压相同，运载小车轮距尺寸如图2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，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题[1]。本桁架上弦杆最大轴心力为2 268 kN，下弦杆最大轴心力为4 758 kN，斜杆最大轴心力为1 244k N，竖杆最大轴心力为480 kN。
2.2杆件钢材选型
桁架结构上弦杆为受压杆件，下弦杆为受拉杆件，根据桁架内力最大值情况选用Q235钢，依据强度计算准则选取合适的钢材型号[2]。桁架除承受桁架轴心力，还需承担运载小车竖向荷载在节间产生的局部弯矩，所以上、下弦杆截面优先采用宽缘翼轧制型钢，腹杆和竖杆截面选用双等边角钢拼接而成，连接处使用节点板焊接。
为保持桁架结构中杆件具有足够的刚度，避免动载荷引起的桁架周期振动效应，在设计过程中桁架杆件的最大长细比应小于允许长细比。长细比的计算公式为:
λ=l/r.
其中:l为桁架杆件的计算长度；r为桁架杆件对自身轴的回转半径。
桁架上下弦杆、腹杆、竖杆的最大长细比和允许长细比见表1。
表1桁架杆件长细比
杆件名称钢材型号最大长细比λmax允许长细比[λ]上/下弦杆HW394/39884150/200斜腹杆2L140×1290150竖腹杆2L125×86150
3桁架有限元分析
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U71Mn[3]，结构网格采用自动网格划分，划分的节点数为694 070，单元数为315 307。
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，工作负载主要是来源于运载小车的轮压。对桁架模型底端节点的全部自由度进行约束，应用静力学模块进行强度和刚度的有限元分析。
图3为运载小车在跨中时桁架结构的变形云图。由图3可知，在中部受压情况下，钢桁架结构中间上弦杆和钢轨与车轮接触处变形量最大，为0.62 mm，由载荷受力引起的桁架竖向挠度与整体跨度的比值为0.62/15 000=0.021，小于实际工程设计规范中要求的1/500的跨度比，由此可见桁架具有较好的刚度性能。
图3运载小车在跨中时桁架结构的变形云图
图4为运载小车在跨中时桁架的应力云图。钢桁架结构主体材料的屈服极限为235 MPa，考虑安全系数为1.2，材料的许用应力[σc]=235 MPa/1.2=195.83 MPa。由图4可以看出，最大应力发生在桁架中间支撑杆件和上弦杆上部分，其最大应力为103.87 MPaσc]，可见桁架结构具有较好的强度性能。
3.3桁架结构模态分析
模态分析是对设计的桁架结构进行固有振动特性分析，用于确定结构的固有频率和振型[4]。对桁架结构进行模态分析求解时忽略结构中各连接件间及外部的阻尼作用，提取桁架模态分析结果中的前8阶模态，分析数据见表2。
图4运载小车在跨中时桁架的应力云图
表2桁架前8阶模态频率
阶数频率(Hz)10.4199521.085832.245843.38453.95664.43876.83689.276
由表2可知：钢结构桁架自振频率呈现密集型分布，对应于高频振型差异较小，符合一般规律。对于模态分析而言，前3 阶振型比较容易发生，所以在这里就综合考虑其前3阶振型[5]，如图5所示。前3阶固有频率集中在较低水平，桁架结构的外界激励源主要是运载小车，运载车速度为3 m/min，车轮直径为Φ500 mm，小车轮转一周用时37.6 s，产生激振力频率为0.026 4 Hz，此频率小于钢桁架结构的1阶固有频率，因此不会发生共振现象。
图5桁架前3阶振型云图
4结语
根据桁架承载运载小车的受力情况，设计钢桁架结构，通过有限元分析软件对其进行静力和模态分析，计算结果表明桁架结构满足工程领域中对桁架的刚度、强度要求，并且频率小于结构固有频率，桁架结构在压铸工作时稳定性较好，避免了共振情况的发生。
(参考文献：和英文摘要
参考文献：
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Design and Analysis of Large-scale Steel Truss Structure
ZHENG Peng1, MA Qing-chuan2
(School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyan 110870, China )
Abstract：A kind of truss structure is designed for large-scale high pressure die casting.Truss structure is used to bear the pressure of the vehicle and the pressure casting equipment. Through the analysis of the loads on truss, the truss structure and the rail installation mode are determined. The simplified model of the truss structure is established, and the finite element analysis and modal analysis of the truss model are carried out by ANSYS Workbench, and the stiffness and strength of the truss structure are checked. The results show that the structure will not occur resonance in the vehicle working process.
Key words：truss structure; structural design; ANSYS Workbench; modal analysis
文章编号：1672- 6413()05- 0102- 02
收稿日期：- 12- 07；
修订日期：- 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。
中图分类号：TP391.7
文献标识码：A
