结构受力分析范文

结构受力分析范文（精选12篇）

结构受力分析 第1篇

近年来，随着我国经济建设的飞速发展，国家不断加大了交通运输等基础设施的建设投入力度，公路桥梁建设事业在我国得到了蓬勃的发展，进入了前所未有的辉煌时期。预应力混凝土连续箱梁桥以其造型美观、施工方便、空间整体受力性能良好、抗扭刚度大、截面应力分配合理、行车舒适等优点，在现代桥梁建设中得到了广泛应用。自20世纪70年代我国公路桥梁建设中开始采用连续箱梁桥起，到现在已经兴建了数百座连续箱梁桥，如钱塘江第二大桥、厦门大桥等。但是，由于运营条件、设计和施工、自然灾害以及外部环境等原因的影响，连续箱梁在实际应用中病害问题十分突出，严重影响了桥梁结构的安全和耐久，给人民生命财产带来威胁。因此，很有必要对连续箱梁空间结构受力进行分析，为完善设计与施工、改变运营策略、选择有效的维护保养手段提供数据基础。下面，本文以一座连续箱形结构桥梁“浑江大桥”为例，利用梁格法并借助有限元程序ANSYS对其空间结构受力进行分析。

1 案例概况

“浑江大桥”建成于2008年7月，全桥总长664 m，孔径布置为6×25 m(预应力现浇混凝土连续箱梁)+9×40 m(预应力顶推混凝土连续箱梁)+(5×25 m+1×29 m)(预应力现浇混凝土连续箱梁)。桥宽为16.75 m，环境相对湿度72%，温度范围为-35℃～+37℃，设计车速60 km/h，设计荷载为公路Ⅰ级。平面曲率半径为2 417.40 m，平面曲线圆心角约为4°。C50混凝土浇筑，Q235和HRB335型钢筋，主桥采用2 m等高单箱双室断面，标准断面布置为15.75+2×0.5=16.75 m，第一联、第三联采用变高单箱双室断面，桥台端梁高1.6 m，与第二联交接处梁高2 m,20 m直线渐变。桥面铺装为5 cm中粒式沥青纤维混凝土、3 cm细粒式沥青混凝土、柔性防水层及8 cm纤维网混凝土。预应力筋采用标准强度为1 860 MPa的预应力钢绞线，管阻系数0.34。浑江大桥截面图与平面图见图1，图2。

2 梁格法与有限元分析

对箱形梁空间受力特性进行分析的方法有很多种，不过总的概括起来，可分为解析法和数值法两大类。解析法是通过一些必要的假设，对箱梁复杂的空间受力体系进行简化分析的方法，主要包括扭转分析、畸变分析和横向挠曲分析。在计算机的深化应用基础上，数值法得到了极大的发展，尤其是有限元法，目前已经成为一种公认的最强有力的数值计算方法，适用于各种类型、各种支承情况的箱梁受力分析，并能充分计算弯曲、扭转、畸变、横向挠曲所引起的综合应力，被广泛应用于各种复杂结构的分析，目前常用的有限元程序有SAP2000,ANSYS等，在国内外得到了极为广泛的应用。

梁格法的实质是一种有限元法，最初是由莱特福(Liythgoot)和绍柯(Sawko)于20世纪60年代提出的，其基本思路是用一个刚度近似的等效梁格体系来代替桥梁上部结构，通过分析梁格体系的受力状态，得到实际箱梁桥的受力状态，在梁格体系中，梁格各构件的刚度体现了实际箱梁桥与梁格间的等效关系。如今，梁格法成为桥梁上部结构计算及分析时的一种有效方法，在多室箱形梁的实际分析中应用较为广泛。

刚度近似的等效梁格，其物理意义建立在“箱梁上部结构每一部分弯曲与扭转刚度集中到最临近的梁格内”这一假定上的，也就是说，假定实际结构的纵向刚度集中到梁格纵向构件内，横向刚度集中到梁格的横向梁格内，但实际上，由于等效梁格与桥梁实际结构的受力特性并不完全相同，所以梁格所模拟的状态只能是近似的。一般来说，运用梁格法对桥梁空间结构受力特性进行分析时，其计算精度与划分的梁格和构件的截面特性有关，网格越密，计算结果的精度也就越高，承受相同荷载时箱梁上部结构同等效梁格的挠曲完全相等，梁格内弯矩、扭矩、剪力均同它所代表的上部结构内力相等，此时为最佳状态。

目前，大量的研究和计算结果显示，利用梁格法能够精确把握大多数箱梁结构桥梁的空间受力特性，包括异型桥等各种不规则形状的桥梁。梁格单元划分的疏密程度，直接影响到梁格法分析精度。

运用梁格法进行空间受力分析时，梁格必须满足基本等效原则:梁格与实际结构部分挠曲是恒等的;任意梁格内的弯矩、剪力和扭矩应同该梁格所代表的实际结构部分相等。

3 梁格划分及模型建立

“浑江大桥”由三联组成，第一联长150 m，第二联主桥长360 m，第三联长154 m，是典型的单箱双室连续箱梁结构，对梁格进行横向、纵向截面的网格划分以及连续箱梁空间建模，采用梁格法对其空间受力特性进行分析最为适宜。

3.1 连续箱梁横向截面梁格划分

运用梁格法对连续箱梁空间受力特性进行分析，其关键是纵梁的划分。对于箱梁横截面具体从什么地方进行划分成为若干个纵向主梁，让各工型的形心基本处于同一高度，梁格纵向构件与原结构梁肋(或腹板)的中心线相重合。对于单箱多室箱梁来说，按照梁肋的位置对箱梁横截面进行划分，具有较好的物理意义和工程意义。故根据多室箱梁结构梁格划分原则，在此假定纵向构件的位置均与纵向腹板相重合，结合“浑江大桥”连续箱梁的具体平面形式，对其横向截面进行如图3所示的梁格划分。

依据这一结构划分模型，在桥梁实际受力弯曲时，梁绕同一中性轴发生弯曲，梁格构件中每根工字梁的横截面特性，均绕整体上部结构中性轴计算，虽然以这样的划分方法，悬臂板长度可能稍大，同时受边腹板和中腹板厚度不同的影响，在计算精度上会有一些误差，但在工程应用上，这样的误差是在允许范围内的，故采用沿纵向梁格进行划分仍然是最为合适的划分办法。

3.2 连续箱梁虚拟横梁划分

由于在梁格分析法中，纵梁之间要通过虚拟横梁共同承担外力荷载，即如果沿桥向划分N个梁段，则有N+1个横截面，每个横截面就是横向梁单元的位置。纵向梁格网格划分每跨至少需要分成4段～6段，截面变化处、边界条件变化处、横隔梁处、关键截面(如跨中、四分点)等位置，一般需要进行划分，为了保证足够的精度，通常每跨需要划分10段以上。在本案例应用中，为了使计算结果更为精确，纵使考虑跨径、中间支座内力变化、腹板净距以及横向和纵向构件间距等因素，根据第一联、第二联和第三联跨径的不同，分别将第一联每跨划分为10个单元，第二联每跨划分为20个单元，第三联每跨划分为10个单元，其中，中间支座附近由于内力变化较剧烈，故加密网格。其虚拟横梁梁格划分见图4。

对于浑江大桥来说，由于其梁腹板厚度变化不大，因此将虚拟横梁第一联每跨划分为10个单元，第二联每跨划分为20个单元，第三联每跨划分为10个单元，足够满足计算精度的要求。

3.3 浑江大桥有限元模型的建立

首先了解浑江大桥混凝土连续箱梁的结构特点和受力特性，根据以上梁格网格划分理念，把大桥一、二、三联按上述划分的梁格纵、横截面，整体结构梁格网格以及计算出的梁格截面纵向和横向梁格截面梁格特性输入有限元软件ANSYS中，同时进行静载和活载布载，并设定材料属性，对此桥空间建模。针对浑江大桥连续箱梁的特性，全桥统一采用Beam44梁单元进行建模，以满足其不对称端面结构和端面节点偏离截面位置和应力强变化、大变形的需要。C50材料特性参数为弹性模量3.45×104MPa，泊松比0.2，容重25 k N/m3，剪切模量1.38×104MPa，见图5。

4 浑江大桥连续箱梁空间受力特性梁格法有限元仿真分析

通过对浑江大桥横、纵向梁格进行网格划分，并利用ANSYS创建有限元模型，只需输入施加荷载及约束条件，即可求解对其受力特性进行仿真分析。由于篇幅原因，本文仅给出模型仿真分析计算结果。

4.1 连续箱梁虚拟仿真静力分析

根据浑江大桥三联21跨连续箱梁的支承条件，分别按恒载、标准荷载、温度荷载进行加载，计算模型支承反力，计算结果显示，在没有多余约束的情况下，在恒载、温度荷载、标准荷载三类荷载作用下，连续箱梁横向支承反力都比较小，温度荷载引起的变形不能很好的释放，会引起较大的支承反力。对于连续箱梁竖向支承反力，横向和纵向的约束对其大小都几乎不存在影响，其主要原因是荷载的竖向总量总是不变的，但在温度荷载情况下，如果存在多余约束并且位于支承几何中心，将会引起整个连续箱梁结构的整体变形，从而导致结构产生次内力，于支座处产生次反力。对于顺桥方向的反支力，在没有多余约束情况下，三类荷载情况下顺桥方向的反支力都比较小，若存在多余约束，温度荷载引起的变形也不能很好的释放，会引起较大的反支力。

4.2 连续箱梁虚拟仿真内力分析

由于浑江大桥连续箱梁所采用的是左右对称的结果，故仿真模型也采用了左右对称梁格划分的方法，根据虚拟仿真结果，当支座节点处于连续箱梁几何中心时，各梁格发生变形时，温度荷载引起的变形靠伸缩缝就可以释放，所产生的内力较小。否则变形不能很好的释放，形成超静定结构产生附加内力，使梁格产生更大的内力。在标准荷载下，标准连续箱梁的传力路径和梁格位置与支座节点完全一致，所产生的内力受约束条件的影响较小。

4.3 连续箱梁虚拟仿真整体受力分析

本案例中，左右纵向梁格完全对称，根据虚拟仿真结果计算分析结果表明，在恒载作用、温度荷载作用和标准荷载作用下，连续箱梁弯矩影响不大。在标准荷载作用下连续箱梁在跨中产生正弯矩，在支承节点产生负弯矩。整个连续箱梁的荷载通过梁格传送到横隔梁上，再通过横隔梁传送到支承上，纵向梁格位置与横隔梁下支承位置不同，端部弯矩不等于零，主要是因为不同的扭矩产生了相应的扭矩角，使梁端受到了不同弯矩的作用。

5 结语

通过运用梁格法对浑江大桥连续箱梁结构进行建模，并利用ANSYS有限元程序进行虚拟仿真受力分析，可得出如下结论:

1)在温度荷载作用下，支承设置对各箱梁梁格内力影响并不相同，在恒载和标准荷载作用下，竖向反支力和箱梁各梁格内力与支座的设置却影响不大，它能释放荷载引起的变形，减小变形所产生的反力，因此设置支承时固定约束应在桥梁的几何中心。2)横隔梁数的不同对不同部位的弯矩影响也不同，但在桥梁设计时，因扭矩的差异剪力设计值可以取墩顶剪力，而连续箱梁结构内力分布在支承节点处左右有一定的变化，故在设计时，应当取节点左右平均值设计弯矩和剪力。3)横隔梁截面尺寸对弯矩和剪力影响不大，但对不同位置的扭矩所产生的影响不同，内横隔梁处的扭矩较大，端横隔梁处的扭矩影响较小，空间效应较大。故在设置支座时，应考虑预偏，以对支承反力进行调整。

摘要：以一座实际的混凝土连续箱梁桥为例,利用梁格法对连续箱梁桥结构的受力特征进行有限元分析,取得了较好的结构受力数据,为连续箱梁桥空间结构设计提供了参考,也为进一步完善连续箱梁桥结构受力分析奠定了基础。

结构受力分析 第2篇

1.理解结构是为了承受力和抵抗变形的本质。

2.通过对简单的结构案例的学习，能尝试对生活中常见的结构作受力和变形分析。

3.通用本节课的学习，学生能感受到结构的广泛应用，体会学习结构的重要意义，从而形成结构问题的意识，培养学生分析结构怎样受力问题的习惯和思维能力。重难点：

1.对单杠作受力和变形分析。

2.通过受力和变形分析，体会结构是为了承受力和抵抗变形的本质。教学思路：

由奥运会单杠比赛录像导入单杠的结构；用学生较为熟悉的实验-----物理学单摆实验作受力类比，引出杠体的受力和变形；进一步从力学角度理解结构。新课导入：

[师] 同学们好，上课前老师想先请你们看一段录像。(播放课件：奥运会单杠比赛片段)。运动员在场上正激烈的角逐，那么，同学们，他们比赛的项目是什么？有没有人知道？ [生] 五项全能、体操、单杠------。

[师] 他们进行的是单杠比赛，就是我们上体育课经常玩的单杠。不知道同学们发现没有，运动员所用的单杠和学校的单杠在结构上有些不同，区别在哪？或者，与你们所见过的单杠相比，有没有不同的地方？

[生] 比较高、比学校的好看、所用的材料不同、少了四根铁线-----。

[师] 对了，细心观察的同学发现了，比较明显的一个区别，就是有的单杠有四根铁线，有的却没有。

[师] 前面我们学习过什么叫做结构，还知道了结构可以承受力和抵抗变形，而组成结构的各个部分称为构件。那么，现在我们把单杠看成一个结构，那构件都有哪些？ [生] 立柱、杠体、拉杆----[师] 奥运会比赛用的单杠没有拉杆，学校的单杠有拉杆，为什么呢？不同结构的单杠在功能上有什么不同呢？带着这个问题，我们来学习新的内容，第二节：典型结构案例分析---结构是怎样受力的。我们来分析一个结构比较简单的物体----单杠的受力和变形情况。新课教学：

[师] 请同学们先花几分钟阅读课本12页的阅读材料，了解变形的种类。下面请一位同学给我们有声有色的朗诵一下，哪一位愿意？ [生] 朗诵。

[师] 好，通过阅读，我们了解变形的种类有3种，分别为拉伸、压缩、弯曲。还知道了梁的概念。

[师] 如果我们在杠体的中间吊一个重物，将可能发生怎样的变形？ [生] 弯曲、压断------。

[师] 再结合梁的定义，所以，我们认为，杠体是有两个支点的梁。

[师] 如图1-16：如果撤掉拉杆4和拉杆6，而抓着拉杆3和5用力拉，立柱将可能发生怎样的变形？

[生] 弯曲、断裂---，[师] 所以，立柱是只有一个支点的垂直梁。

[师] 好，那我们先对杠体，这个有两个支点的梁进行受力分析。我们先来回忆初中作过的一个物理实验-----单摆。(演示单摆实验课件)。[师] 在小球摆动的过程中，绳子对小球的作用力方向怎样变化？ [生] 始终从小球的球心指向固定点

[师] 那么，根据作用力和反作用力原理，固定点受到小球的作用力方向如何？ [生] 始终从固定点指向小球球心

[师] 因此，无论小球摆到哪个位置，固定点受到的作用力方向始终指向小球球心所处的瞬间位置。

[师] 我们再来看运动员做的大回环动作。如果从侧面来看，将会是怎样？ [生] 运动员绕杠体转动。

[师] 再把这个图像向后投影。得到图形如图(展示课件)。

[师] 类比单摆，杠体相当于固定点；人相当于小球。杠体受到人的作用力方向是怎样的？ [生] 指向人重心所在位置。

[师] 对了，无论人摆到哪个位置，杠体所受作用力的方向始终指向人的重心所处的瞬间位置。因为梁向哪个方向受力，就会向哪个方向变形。即变形方向和受力方向一致。所以杠体总是朝人的重心所在位置发生变形。于是有了第一个结论(课本13页)：杠体总是朝着人体所在的瞬间位置的方向上发生弯曲。

[师] 我们再看立柱。杠体和立柱的上端相连，人的作用力通过杠体作用于立柱，将可能发生怎样的变形?是弯曲。对吗？如果要向前发生弯曲，请问同学们有什么方法可以削弱或抵削这种弯曲呢？

结构受力分析 第3篇

无论教科书还是在《建筑基坑支护技术规程》中，都是假设土钉在其轴线方向上承受平均剪应力来进行考虑分析，通过FLAC3D数值模拟软件对土钉的受力过程和机理进行分析，土钉的实际受力状况并不遵循这一规则。在实际工况下，土钉内的受力状况是不均匀分布的，在边坡中部附近的土钉，其拉力一般呈现出中间大、两段小的枣核形状，土钉的受力特点主要根据其破裂面的位置决定，但并不完全重合。实际的破裂面并不是唯一确定的，主要由实际土层情况、现场周围环境和设计参数所决定。

一、土钉轴力模拟分析

采用FLAC3D仿真模拟软件对土钉支护结构进行分析，土钉受力见下图1和2所示。

图1 土钉平均轴向应力（开挖距底部1m时）

图2 土钉平均轴向应力（开挖完成后）

由图1和图2得知：土钉在支护结构中所受的轴力状态并非规范设计当中所采用的平均剪应力。土钉全长范围受拉，拉应力的大小沿土钉长度方向不均匀分布，总体呈现出中间大、两端小的分布规律，其最大拉应力值出现在边坡破裂面的附近；在竖直方向上，呈现出中部和上部的土钉受力较大，下部坑底附近土钉受力较小的分布规律。随着土方开挖，土钉所受的轴力呈逐步增大趋势，在垂直方向上土钉的受力逐渐向下转移，在土钉长度方向（水平方向）土钉的内力也逐渐向尾部传递，土钉的峰值应力向破裂面附近转移。土钉越是往下，所受轴力的峰值点越是靠近面层，说明破裂面的位置为边坡上部距离基坑较远处，边坡下部靠近面层的圆弧状。

图3 土钉周围水泥浆应力

图3所示为在土钉四周用圆锥体来描述的水泥浆应力，圆柱半径的大小与应力大小成正比。通过土钉周围水泥浆的应力图可以清楚的看到土钉所受到的土应力的大小、性质和分布规律。图中红色部分表示不稳定区域土体与土钉周围水泥浆的接触面上的摩擦力 ， 是由于土体在其接触面上的位移所产生，在此区域内的土体由于基坑开挖产生侧向位移，土钉起到约束土体位移、增加土体刚度的作用；黑色部分表示在稳定区域土体与土钉周围水泥浆的接触面上的摩擦力 ， 是由于土钉在稳定区域的滑移所产生，此阶段土钉起到应力传递和扩散的作用。 和 虽然同为土钉周围水泥浆上的应力，但是其受力机理却完全相反，一个是不稳定区域土体的滑移造成的土钉被动受力，另一个则是土钉的滑移造成的主动受力。在垂直方向上，土钉周围水泥浆受到的 和 分布规律不尽相同，竖向上部的土钉所受的摩擦力 分布长度最长，中部次之，底部最短，说明在上部产生侧向位移的土体区域较大，而在下部产生侧向位移的土体区域较小。在土钉所受的摩擦力 区域内，中上部土钉的摩擦力峰值一般出现在尾部摩擦力接近零的区段，下部土钉的摩擦力峰值则出现在土钉的端部；下部土钉摩擦力 的端部由于第三主应力 最大出现明显的应力集中现象。

二、边坡位移数值模拟分析

对于土钉支护结构的边坡位移，运用FLAC3D进行模拟计算

图4 土钉墙位移量等值线阴影图 图5 Y向（即水平向）位移等值阴影图

图6 Z向（即竖向）位移等值阴影图

通过对土钉支护结构位移云图分析结果表明：由于基坑开挖，在自重应力的作用下引起的基坑位移呈现出“探头”形状，上部坡顶最大，坡底最小。在水平方向，即边坡向基坑内的位移方向上，呈现出基坑中下部的位移量较大，上部和下部较小的“鼓肚”状。在竖直方向上，呈现出自上而下逐渐减少的位移趋势。

综上所述，土钉支护结构起到了约束土骨架的作用，土钉制约着土体的变形，使土钉和土复合成一整体，承担了主要的荷载，由于土钉本身所具备的较高的抗拉、抗剪切的作用，当土体产生位移的时候应力逐渐转向土钉，延缓了土体塑性区的开展，当土体出现开裂现象时，土钉承受和分担了更多的应力。依靠土钉与土界面相互摩擦的作用，土钉将承受的荷载沿其长度方向稳定区域土体内传递，使基坑的稳定性得到了极大的提高。

三、结论

（一）通过FLAC3D对土钉受力状况模拟，可以清楚的看到土钉轴力中间大、两头小的分布规律。可以通过土钉受力的模拟，分析不同长度土钉轴向的受力状况，得出最合理的土钉长度，达到优化设计的目的。

（二）根据FLAC3D分析的动态显示结果，可以分析出基坑受力变形特点及位移趋势，在边坡中下部的位移量和位移增量最大，在满足稳定性要求条件下，边坡中下部为最危险作业面，从而为设计和施工进行指导。

【参考文献】

[1]刘国彬，王卫东.基坑工程手册.第二版[M].北京：中国建筑工业出版社，2009

[2]张璐，土钉墙与桩锚联合支护相互协同作用性能分析[D].包头：内蒙古科技大学硕士学位论文，2012

[2]储王应，陆红山.基于FLAC模拟的基坑锚杆（土钉）支护分析[J].山西建筑， 2010，Vol.36No.2

[3]建筑基坑支护技术规程[S].JGJ120-2012，中国建筑工业出版社，2012

[4]FLAC 3D.Fast Lagrangian Analysis of Continuain 3Dimensions，Version2.1 [S].Itasca Consulting Group，Inc，USA

[5]刘波，韩彦辉[美国].FLAC原理、实例与应用指南[M].北京：人民交通出版社，2007

【作者单位：许瑶，内蒙古科技大学】

杨海珍，包钢建安（集团）有限责任公司】

矩形薄板结构的受力分析 第4篇

1 理论分析

在理论分析时首先做出如下假定:

第一, 忽略截面厚度上的弯矩和剪力作用, 而只考虑薄板面内的拉应力。

第二, 作用的外力可以考虑为流体介质压力, 其作用方向与结构内表面垂直。

A'AB'B为四边固支平板矩形结构, a、b分别为短边及长边的边长, 在各自的跨中切出单位宽度的板带相交于O'点, ha及hb为受力后O'点宽度和长度方向的跨中挠度。未受外部荷载q作用时, h=h0=0, 当外荷载作用后, 跨中处的挠度为最大, 为了计算外荷载引起的应力σa, σb的大小及其几何量值之间的关系, 将外荷载q分解为qa、qb两部分。

根据材料的应力-应变曲线确定其工作阶段的应变值εa, 按照σ=Eε或求出σa, 若这时已经进入屈服阶段, 则

再按照弧长的简化计算公式

求出弧长la,

变形曲面投影到宽度a方向的曲线半径

根据εa的值确定

同理可以得到

这样就确定了外荷载q的值。

假定h=0.065m, a=0.9m, b=1.6m根据弧长的简化计算公式得到1a=0.9122m, εa=0.0136。可得到Ra=1.6026m。假定所用材料为Q235钢材, 取其σy=240MPa, σu=380MPa, εmax=0.2, 求出σa=249.52MPa, 即可得到qa=311.4k N/m。同理可求得εb=0.00767, Rb=4.9954m, σb=245.369MPa, 即可得到qb=98.2k N/m。因此得到单位长度上的均布荷载压力q=qa+qb=311.4+98.2=409.6k N/m。即单位面积上的均布荷载压力0.4096N/mm2。

2 数值模拟

2.1 前处理及参数设置

第一, 选择壳单元SHELL181。

第二, 定义材料属性:假定材料为Q235钢板, 因此根据Q235钢来确定材料属性。定义材料密度为7 800kg/m3, 弹性模量EX=2.06×105N/mm3, 泊松比PRXY=0.3, 材料的本构关系采用双直线型应力-应变曲线。

第三, 根据试件的实际尺寸1 600mm×900mm建立几何模型。

第四, 网格化分:考虑到运算速度与求解精度的关系, 选择设定网格尺寸为10mm, 并选择相应的单元和材料属性, 应用Mesh Tool进行网格化分。

第五, 施加荷载及边界条件:由于试验中的防护门可近似等效为四边固支的矩形薄板, 因此选择限制四个边界的所有自由度, 并在每个节点上作用52.5N的集中荷载。

第六, 求解:选择求解器, 确定分析类型为静力分析, 并在分析选项中选取Large Displacement Static, 并设定求解载荷步数为100, 启动求解器进行求解。

2.2 结果分析

由于本文中是进行静力分析, 所以应用POST1查看分析结果。从其变形图中可以看出模型的基本变形形式符合四边固支的薄板结构的受力特性。

由于ANSYS分析时是在每个节点上施加的集中荷载, 为了方便与理论值比较, 将集中荷载换算成面荷载,

其中f为单位面积上的均布荷载压力, m、n分别是长跨度方向和短跨度方向的网格个数, F为ANSYS分析时所加的集中荷载, a、b分别是长跨度方向和短跨度方向的长度。

3 结论

通过ANSYS有限元静力分析可以试算出, 当产生与理论计算假定的变形时, 静载为0.5069N/mm2, 并通过四边固支薄板结构的受力分析方法, 得到了相应的理论解为0.4096N/mm2。由结果可以看出理论解与有限元静力分析的解有一定的差异, 其原因在于求解理论解时做出了忽略截面厚度上的弯矩和剪力作用, 而只考虑薄板面内的拉应力的基本假定, 而ANSYS有限元分析时则考虑了截面厚度上的弯矩及剪力作用。由此得出理论计算公式可以较为准确地在已知设备重量的情况下求出薄板的跨中最大挠度。

参考文献

[1]曹国雄.弹性矩形薄板振动[M].北京:中国建筑工业出版社, 1983.

[2]张耀春.钢结构设计原理[M].北京:高等教育出版社, 2004.

[3]龙驭球.结构力学[M].北京:高等教育出版社, 2003.

结构受力分析 第5篇

混凝土工程中材料的特性决定了结构较易产生裂缝，从实践中来看施工中混凝土出现裂缝的概率也是很大的，相当一部分裂缝对建筑物的受力及正常使用无太大的危害，但裂缝的存在会影响到建筑物的整体性、耐久性，会对钢筋产生腐蚀，是受力使用期应力集中的隐患，应当尽量在各方面给予重视，以避免裂缝的出现或把裂缝控制在许可的范围之内，

本文就高层建筑结构的几个主要受力部位在混凝土施工中容易产生裂缝的原因进行分析，并从设计与施工两方面提出裂缝的控制措施。

大体积混凝土裂缝分析

高层建筑中随着高度的不断增加，地下室愈做愈深，底板也愈来愈厚，厚度在3m以上的底板已屡见不鲜。高层建筑中基础底板为主要的受力结构，整体要求高，一般一次性整体浇筑。国内外大量实践证明，各种大体积混凝土裂缝主要是温度变化引起。大体积混凝土浇筑后在升温阶段由于体积大，集聚在内部的水泥水化热不易散发，混凝土内部温度将显著升高，这样在混凝土内部产生压应力，在外表面产生拉应力，由于此时混凝土的强度低，有可能产生表面裂缝。在降温阶段新浇混凝土收缩因存在较强的地基或基础的约束而不能自由收缩。升温阶段快，混凝土弹性模量低，徐变的影响大，所以降温时产生的拉应力大于升温时产生的压应力。差值过大时，将在混凝土内部产生裂缝，最后有可能形成贯穿裂缝。为解决上述二类裂缝问题，必须进行合理的温度控制。

混凝土温度控制的主要目的是使因温差产生的拉应力小于同期混凝土抗拉强度的标准值，并有一定的安全系数。为计算温差，就要事先计算混凝土内部的最高温度，它是混凝土浇筑温度、实际水化热温升和混凝土散热温度的总和。可采用合理选用材料，降低水泥水化热，优化混凝土集料的配合比，控制水灰比，减少混凝土的干缩。如有可能，减少浇筑长度，增加养护时间减少降温速率以相应减少松驰系数对控制贯穿裂缝也有一定的意义。

地下室墙板裂缝分析

地下室墙板的裂缝产生与基础大体积混凝土裂缝产生的原因有相同之处，即混凝土在硬化过程中由于失水会产生收缩应变，在水泥水化热产生的升温达到最高点以后的降温过程会产生温度应变。但又有其特点：一是墙板受到基础、外围楼板受到地下室外墙的极大约束，这种约束远大于桩基对基础的约束，产生贯穿裂缝的机率大，

二是内墙板及楼板受环境温度影响较大。三是内外温差小，产生表面裂缝的机率小。四是养护困难，散热快、降温速率大，混凝土的松驰徐变优势难以利用，在气温骤变季节尤应注意。

高强混凝土裂缝分析

目前高层建筑中已广泛使用C40～C60中高强混凝土，随着材料科学的迅速发展，C80～C120的高强混凝土在具体工程中已有应用。由于高强混凝土采用的配合比设计多为低水灰比、高标号水泥、高水泥用量、使用高效减小剂及掺加超细矿粉。这样其收缩机制与普通混凝土就有所不同。

高强混凝土由于其水泥用量是普通混凝土的1.5～2倍。这样在混凝土生成过程中由于水泥水化而引起的体积收缩即自缩就大于普通混凝土，出现收缩裂缝的机率也大于普通混凝土。

高强混凝土因采用高标号水泥且用量大，这样在混凝土硬化过程中，水化放热量大，将加大混凝土的最高温升，从而使混凝土的温度收缩应力加大。在叠加其他因素的情况下，很有可能导致温度收缩裂缝。由于高强混凝土中水泥石含量是普通混凝土的1.5倍，在硬化早期由于水分蒸发引起的干缩也将大于普通混凝土。

裂缝的控制措施

为了避免裂缝的出现或把裂缝控制在许可的范围之内，可以从设计和施工两个方面着手。

首先在设计上可采取以下措施：1增配构造筋提高抗裂性能，配筋应采用小直径、小间距。全截面的配筋率应在0.3～0.5%之间。2北苊饨峁雇槐洳生应力集中，在易产生应力集中的薄弱环节采取加强措施。3痹谝琢训谋咴挡课簧柚冒盗海提高该部位的配筋率，提高混凝土的极限拉伸。4痹诮峁股杓浦杏Τ浞挚悸鞘┕な钡钠候特征，合理设置后浇缝，在正常施工条件下，后浇缝间距20～30m，保留时间一般不小于60天。如不能预测施工时的具体条件，也可临时根据具体情况作设计变更。

结构受力分析 第6篇

关键词：钢筋腐蚀；结构受力；钢筋混凝土

中图分类号：TU375文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）09-0160-02

一、钢筋混凝土构件的工作性能

钢筋和混凝土是两种性质不同的材料，由于混凝土硬化后与钢筋之间产生了良好的黏结力，使二者能牢固的结合在一起，从而保证在外荷载作用下，钢筋与其周围的混凝土能够共同变形；另外，钢筋与混凝土的温度线膨胀系数的数值颇为接近（钢筋为1.2×10-5、混凝土为10×10-5～1.5×10-5），当温度变化时，不致产生较大的温度应力而破坏两者之间的黏结。因此，在正常境况下，钢筋受到周围混凝土的保护，一般不会被腐蚀。但是由于保护层脱落或其他原因，在一定条件下也会发生钢筋腐蚀的现象。

二、钢筋腐蚀的危害

钢筋腐蚀通常表现在混凝土表面沿受力钢筋方向出现裂缝，并带有锈斑。这种裂缝表明，膨胀的铁锈足以使混凝土开裂。

钢筋腐蚀不仅能削弱其截面面积，使构件承载力下降，还会降低钢筋与混凝土的粘结力，影响两者共同工作的性能。同时由于钢筋腐蚀后体积膨胀，造成混凝土保护层裂开，甚至脱落，从而降低了结构的受力性能和耐久性能。

三、造成钢筋腐蚀的重要原因

所谓钢筋腐蚀，就是钢筋表面或内部晶体结构遭到破坏，不能按照设计要求承受外界荷载，从而影响结构正常的使用功能。这种腐蚀只有在一定条件下才能发生，具体原因如下：

1．混凝土不密实或有裂缝存在是造成钢筋腐蚀的主要原因，这也是钢筋与腐蚀物质接触的客观条件。当水泥用量偏小、水灰比不当、振捣不良或在浇筑中产生漏筋、蜂窝、麻面等情况，都会加速钢筋的腐蚀。但是一些施工人员往往认为这些缺陷不会对构件造成太大影响，没有引起足够的重视。

2．混凝土内掺氯盐是一个易被忽视的造成钢筋腐蚀的原因。由于施工的需要，为提高混凝土早期强度和防冻能力，会在混凝土内掺加一定量的氯盐，如氯化钙、氯化钠、氯化钾。如果氯盐掺量过大，会加速钢筋的腐蚀，具体表现在：（1）混凝土中存在的氯离子会破坏钢筋表面的钝化膜，使钢筋表面局部酸化，加速钢筋腐蚀；（2）水泥和氯化钙结合生成的新物质，会在混凝土构件中微胀而形成细微裂缝，使钢筋遭受腐蚀；（3）氯盐本身具有较大的吸水性，会增加混凝土的干缩量，加促钢筋腐蚀。

3．混凝土碳化造成钢筋腐蚀。正常情况下，空气中的二氧化碳气体在混凝土表面逐渐被氢氧化钙吸收，形成碳酸钙，这种现象称为混凝土碳化。碳化的速度除与二氧化碳的浓度有关外，还取决于相对湿度、混凝土的密实度等。一般状态下，由于水泥的水化作用，混凝土内的PH值为12～13，在此环境下，钢筋周围形成一种保护膜，即钝化膜，可保护钢筋不被腐蚀；当PH值小于9时，该钝化膜即被破坏。只有在混凝土内碱度降低，也就是说碳化深度达到或超过钢筋保护层时，钢筋表面的钝化膜被破坏，钢筋才开始被外界物质腐蚀。

4．高强钢筋中的应力腐蚀是随着预应力混凝土的采用而出现的一种特殊的腐蚀形式，即沿着垂直于钢筋长度方向而出现微裂缝并不断发展直至破坏。此种腐蚀一般在钢筋混凝土表面有轻微损害或无损伤（肉眼不可见）时就发生破坏，这种腐蚀尤为危险。

5．外界环境，如空气中二氧化碳、侵蚀性气体及相对湿度等是造成钢筋腐蚀的客观原因。经调查分析显示，当空气相对湿度低于60%时，在钢筋表面难以形成水膜，钢筋几乎不生锈；当空气湿度在80%左右会有利于碳化作

用，混凝土中的钢筋锈蚀发展很快。

四、钢筋腐蚀对结构受力的影响

受腐蚀的钢筋在与混凝土的协同工作中对于结构的受力有着重要的影响，具体表现为：

1．削弱钢筋受力的截面积，尤其是预应力混凝土结构中的高强度钢丝，表面积大，截面小，应力高，一旦发生腐蚀，危险性更大，严重者会导致构件断裂。

2．钢筋腐蚀后体积膨胀，生成铁锈的体积会比被已腐蚀的钢筋体积大3～4倍，从而对包围在钢筋周围的混凝土产生径向膨胀力。当径向膨胀力达到一定程度时，会引起混凝土的开裂，使混凝土保护层沿钢筋纵向开裂，甚至脱落，从而降低了结构的受力性能和耐久性能。

3．钢筋腐蚀降低了钢筋与混凝土的粘结力，即降低了混凝土对钢筋的约束作用，影响二者共同工作的性能。锈蚀使变形钢筋与混凝土之间失去了咬合作用。

五、对钢筋腐蚀的预防措施

由以上分析可知，混凝土中钢筋腐蚀不能完全避免，但是作为工程技术人员，必须从根本上认识钢筋腐蚀对于结构影响的重要性，最大限度的减小钢筋腐蚀的可能，防患于未然。

1．提高混凝土自身的防护能力。主要是靠提高混凝土的密实性，降低有害离子入侵和减缓碱度损失。当水泥用量偏小、水灰比不当和振捣不良时，或在混凝土浇筑中产生漏筋、蜂窝、麻面等情况，都会加速钢筋的腐蚀。因此，在施工中要严格要求施工队伍按照规范施工，保证混凝土的密实度，严格把握好材质、水灰比、水泥用量、振捣和养护等关键性工序，把混凝土表面出现蜂窝、麻面的可能性降到最低，为钢筋能够更好的发挥效力提供良好的环境，预防钢筋的腐蚀。

在天津某站房及高架候车厅的拆除工程中，根据拆除钢筋的特点得出结论：在混凝土密实性及粘结较好的构件中，拆除出来的钢筋表面情况良好；对于个别表面腐蚀相对严重的钢筋，追踪其存在的混凝土构件，混凝土质量相对于其他混凝土构件存在着一定缺陷。

2．保证混凝土保护层的厚度。在内外条件均无有害气体侵蚀下，混凝土保护层保护钢筋、防止锈蚀的作用尤为重要。保证达到混凝土保护层的厚度，就相应延缓了混凝土碳化深度达到钢筋表面的时间，使钢筋不能过早锈蚀，延长建筑物的使用寿命。新规范规定的混凝土保护层厚度值是最小厚度值，是满足结构的耐久性和对受力钢筋有效锚固的要求。新规范与1992年版《混凝土结构工程施工及验收规范》相比，对保护层厚度值作了加厚规定：如一类环境，对强度等级≤C20的混凝土板和墙、梁和柱，都加厚了5mm。由此可见，经过实践检验，混凝土保护层厚度对混凝土施工质量有很大的影响。

使用标准的砂浆垫块。施工过程中要严格按照设计要求保证保护层厚度，按照图纸要求确定各种构件垫块厚度，制作标准的垫块制作模，提前制作或购置砂浆垫块。而施工现场中一些工人常认为保护层不重要，用石子或其他东西代替砂浆垫块。在某信号楼工程施工时，施工单位想利用废旧预制水磨石块作为垫块。由于个别垫块强度不足，产生压碎现象。检查人员在检查过程中发现了该问题，要求施工单位必须使用标准的砂浆垫块，以确保混凝土保护层厚度。

减小钢筋位移。对于混凝土浇筑时易对墙、柱钢筋造成位移的问题，在墙体预留竖向梯子筋（竖向梯子筋需比竖向筋大一规格，以代替竖向筋），间距为1200mm，如图1所示。严禁在绑扎好的钢筋上行走或运送材料，以保证钢筋不发生移位。钢筋安装工程属于隐蔽工程，在施工中要作为混凝土结构施工中质量监督和控制的重点。

为防止现浇板板面钢筋在混凝土浇筑中被踩弯，可利用废旧钢筋制作水平马凳，间距为1000㎜，代替传统的钢筋马凳，以控制板面负筋的保护层，见图2，图中h=板厚-保护层×2-三层钢筋直径。

3．减少混凝土浆对钢筋的污染。在浇筑混凝土时，剪力墙及柱的上部钢筋在输送泵的冲击力和振捣棒的振捣下，混凝土浆会污染钢筋。对于强度及性能要求较高的剪力墙、柱，可利用工地上的废旧PVC管（直径比钢筋略粗）直接套在墙、柱竖向钢筋上，长度以800mm～1000mm为宜。PVC管可直接放在墙、柱水平定位钢筋上，两端用胶带纸缠在钢筋上。这样在混凝土浇筑时PVC管就不会移动，混凝土浆也不会污染钢筋。待混凝土浇筑完毕，抽出PVC管，擦掉表面的混凝土浆后存放，PVC管重复利用。

4．正确使用氯盐及亚硝酸缓冲剂。氯盐是使用比较广的防冻外加剂，在冬季施工中，浇筑混凝土要按规范控制好氯盐的用量。但氯盐的最大缺点是造成钢筋锈蚀。因此，对于禁止使用氯盐的结构，绝不使用；可以使用氯盐的结构，在使用过程中可以在混凝土中加入适当量的亚硝酸钠，可消除或延缓钢筋的腐蚀。

在使用亚硝酸钠钠过程中，要注意以下几点：（1）氯盐的使用范围。根据《混凝土外加剂应用技术规范（GB50119-2003）》不得用于预应力混凝土工程，以及与镀锌钢材或铝铁相接触部位的混凝土工程；严禁用于饮水工程及与食品接触的工程；（2）氯盐与亚硝酸钠的比例要适当。对于氯盐与亚硝酸钠的使用，由于一些施工人员缺乏考虑或疏于了解，容易造成错加错用的问题。根据规范要求，当氯盐掺量为水泥重量的0.5%～1.5%时，亚硝酸钠与氯盐之比应大于1.0；而当氯盐掺量为水泥重量的1.5%～3.0%时，亚硝酸钠与氯盐之比应大于1.3。

5．外涂隔离剂。这种方法能够提高混凝土防水性及耐久性，隔离腐蚀环境，可延缓碳化速度，起到保护混凝土的作用。施工时，首先应清除混凝土表面附着物，用水冲洗后令其充分干燥，在构件外表涂抹砂浆或绝缘层，如沥青漆、环氧树脂涂料等材料用于防腐。一般采用下列方法：（1）涂刷沥青漆。其配方为：30号沥青：10号沥青：汽油=1:1:2。要涂刷均匀，妥善存放，保证使用时漆膜完好。（2）涂刷水泥防腐涂料，其配方为：水泥:水:亚硝酸钠：甲基硅醇钠=100:30:6:2。配制时先用2/3的水溶解亚硝酸钠，与水泥拌和后在加入甲基硅醇钠，搅拌3～5分钟，再将剩余的水视稠度情况酌量加入搅拌，至均匀为止，涂层厚度以1.5㎜左右为宜，干燥后即可使用。

6．对于高强度钢丝的应力腐蚀和脆性断裂，应从根本上认识其危害的严重性。因此在制作预应力钢筋时，不要盲目拉伸，一味要求增加强度，节约钢筋，而忽视了由此带来的负面影响，造成严重的后果。

7．对于环境条件这一客观因素，如有侵蚀性气体或处于沿海环境的建筑承重结构，要事先分析，在设计过程中增加一些保护措施，适当增加混凝土保护层的厚度，或加入一些外加剂，阻止有害离子对钢筋的腐蚀或减缓其腐蚀速度，降低钢筋腐蚀的可能性。

六、结语

近年来，根据国内外的大量研究发现，不少在役的钢筋混凝土结构已受到不同程度的腐蚀损伤，尤其在潮湿多雨的地方，情况更为严重。混凝土工程是一个复杂的体系，钢筋的腐蚀对于结构的受力有着不可忽视的影响。实践证明，对腐蚀环境认识不足或没有采取适当的防护措施，是导致钢筋腐蚀过早出现的重要原因。作为工程技术人员，应该认识到问题的严重性，防患于未然，确保工程质量。

参考文献

[1]吴瑾．钢筋混凝土结构锈蚀损伤[M]．北京：科学出版社，2005．

[2]赵卓，蒋晓东．受腐蚀混凝土结构耐久性检测诊断[M]．郑州：黄河水利出版社，2006，（9）．

[3]金伟良，赵羽习．混凝土结构耐久性[M]．北京：科学出版社，2002．

[4]张誉，等．混凝土结构耐久性概论[M]．上海：上海科学技术出版社，2003．

斜交框架桥结构受力分析 第7篇

近年来, 我国交通基础设施建设取得了跨越式发展, 各地相继建成了许多各等级公路、铁路、市政道路。交通运输网络的不断加密使得新建路线交叉日益增多。如何解决交叉问题, 成为广大工程设计人员经常面对的问题。框架桥由于其占地少, 投资省, 且可采用顶推施工, 不影响既有道路交通等特点, 一直以来是铁路行业经常采用的一种跨越路线交叉的方式。近年来, 又因其具有梁高较低, 方便施工, 对路线适应性较强等特点越来越多的用于市政道路交叉中。

2 斜交框架桥受力分析方法

目前, 框架桥的一般多按平面变形问题进行计算, 主要采用平面杆系软件进行结构受力分析。在正交情况下, 这种做法可以满足一般的设计要求。但是, 在大角度斜交的情况下, 斜交效应将使得采用平面杆系有限元分析难以适应工程实际需要。对于一般简支板梁, 斜交效应主要体现在: (1) 斜交板钝角角隅处会出现较大的反力和剪力, 锐角角隅处则出现较小的反力, 甚至可能出现翘起; (2) 斜交板在受到均布力的情况下依然会出现很大的扭矩; (3) 板边缘最大弯矩会向钝角方向靠拢。因此, 但对于大角度斜交框架桥, 采用平面杆系的结构分析方法必将与实际受力差别很大, 不能满足工程实际需求[1]因此, 必须建立起结构精确的三维有限元模型, 才能正确分析结构受力特性, 进而指导结构设计。

本文借助大型桥梁结构分析软件Midas civil建立了斜交框架桥的三维有限元模型。根据结构计算模型、几何特性、边界条件等必须与实际结构相一致, 结构计算模型必须能反映结构分阶段形成的特点, 正确反映各重要工况下的结构特性及荷载状况的原则, 框架桥顶板、底板、边腹板和中腹板均采用板单元模拟, 底板与土的相互作用按文克尔弹性地基模型建立, 并在Midas中采用面弹性支撑, 用受压弹簧模拟弹性地基。

3 工程实例

某市政匝道桥采用斜交框架桥, 其结构布置为2×13.5m钢筋砼连续框架。桥梁斜交锐角为65.9°, 其正截面尺寸为顶板厚为95cm, 底板厚为1.2m, 边腹板厚1.2m, 中腹板厚1.0m, 其桥下使用净空为4.5m, 桥宽8.6m。结构有限元模型如图1所示。

结构计算荷载主要包括恒载、汽车荷载、汽车冲击荷载、土侧压力、汽车荷载引起的水平土压力、整体升降温及梯度温度等[2]。荷载组合根据《公路桥涵设计通用规范》 (JTG D60-2004) 和《城市桥梁设计规范》 (CJJ11-2011) 规定进行。限于篇幅, 现仅列出顶板在基本组合工况下顶板弯矩云图的情况, 如图2-图4所示。

4 结论

根据上述计算结果可得出以下结论:

(1) 斜交框架桥结构受力复杂, 纵、横向均存在较大内力, 空间效应明显, 在配置受力钢筋时不能简单沿桥梁纵向配置, 应充分考虑结构横向弯矩及扭矩的影响。 (2) 斜交框架桥顶、底板钝角效应明显, 即最大正弯矩并未发生在跨中, 而是向在钝角部位靠近, 应有针对性的加强钝角位置的钢筋布置。

摘要：本文以某市政斜交框架桥为工程背景, 利用大型结构分析软件MIDAS建立了斜交框架桥的板单元有限元模型, 对其受力性能进行了计算分析, 探讨了斜交框架桥的受力特点, 为类似工程的建设提供参考。

关键词：斜交,框架桥,受力分析

参考文献

[1]范军琳.大斜交角度铁路框架桥结构受力分析.桥梁, 2010 (10) :19-22.

贵州土家族传统民居结构受力分析 第8篇

贵州省聚居着苗族、布依族、侗族、土家族等17个少数民族,贵州的民族建筑犹如一部凝固的音乐,蕴藏有极为丰富的文化内涵。贵州省的土家族人数占全国土家族总量的17.80%,为土家族人口第三大省份,是一个典型的山地民族,在漫长的历史长河中,创造了独具一格的民族建筑风格,贵州土家族建筑村寨的规划布局,民居的外观造型、构造功能、室内空间营造等值得研究。

贵州土家族民居以吊脚楼居多,吊脚楼属于半干栏式建筑(见图1)。土家吊脚楼多为木结构,小青瓦,花格窗,司檐悬空,木栏扶手,屋顶在古时盖茅草或杉树,也有用石板盖顶的,现大多盖青瓦。吊脚楼这种干栏式建筑被建筑学家认为是最佳的生态建筑形式。从实用上讲,作为民族物质文化的标志,不但充分满足了人们对物质文化的需求,而且也满足了人们精神文化生活的需求;从技术上讲,土家族吊脚楼博采我国木构架建筑穿斗式、井干式、抬梁式所长,具有美观、坚固等优点。吊脚楼除了屋顶盖瓦之外,上上下下全部用木材建造,屋柱之间用大小不一的木材斜穿、直套连在一起,即使一个铁钉都不用,也十分坚固。优雅的丝檐和宽绰的廊道使其自成一格,成功地摆脱了干栏式建筑的原始性,具有地域特点[1]。

2 贵州土家族吊脚楼的结构受力分析

2.1 不考虑水平力作用

贵州省沿河县、德江县和印江县各地区的土家族吊脚楼大同小异,它们最基本的特点是正屋建在实地上,厢房除一边靠在实地和正房相连,其余三边皆悬空,靠柱支撑,正屋和厢房(即吊脚部分)的上面住人,厢房的下部有柱无壁,用来喂养牲畜、堆放杂物。土家族吊脚楼的结构属于穿斗式木结构。穿斗式木结构是中国古代架构木结构的主要形式之一,这种木结构以柱直接成檩,没有梁,故称为穿斗式木结构(见图2)。其特点是,沿房屋的进深方向按檩竖立一排柱,每柱上架一檩,檩上布椽,每排柱子靠穿透柱身的穿方横向贯穿起来,成一榀构架。每两榀构架之间使用斗枋和纤子连接形成一间房屋的空间构架,建造时先在地面上拼架成整榀屋架,然后竖立起来,并借助平行于檩下的穿枋形成房屋的中间构架,一榀房架中柱与柱之间由贯穿柱身的穿枋连成一个整体。图3为该空间构架的平面图,图4为穿斗式横向一榀框架示意图。课题组通过实地调研,将采集到的土家族吊脚楼的数据,运用结构力学的知识,对结构做受力分析,取其中的一榀框架为隔离体进行受力分析,如图5。

如图5所示,在房屋正常使用条件下,结构只受到竖向力。该一榀框架由七根落地柱组成,每根柱子与地面连接处均简化为刚结。将穿方与立柱的连接简化为铰接,组成一品的框架。两边的穿方与柱子的连接处简化为为刚结(此处是檐口,相当于现在结构中的挑檐),以便承受挑屋面传来的竖向荷载,两边的穿方外侧各有一根不落地的柱子,因不落地柱子起装饰作用,故在此模型中忽略它。考虑到土家族吊脚楼屋面大多用青瓦铺设,通过分析,简化屋面传来的为0.5 kN的集中荷载,为了保证简化结果的正确性,采用结构力学求解器来分析其受力(结构力学求解器是清华大学袁驷教授研发的,在各大高校广泛使用,具有很强的权威性)。

通过结构结构力学求解器得到该榀框架的内力图,包括轴力图(见图6)、剪力图(见图7)与弯矩图(见图8)。

分析图6可知,每根落地柱均承受轴力的作用,两边的柱子承受的轴力比其他柱子大(这是因为有挑檐部分),这充分发挥了木材轴向性能好的优点;分析图7可知,该框架占主要部分的中间构件几乎不受剪力作用,两边的柱子和穿方承受剪力作用;分析图8可知,该弯矩图成正对称分布(这是因为该结构对称,受力对称),该结构受力合理、传力明确,占主要中间部分的中间构件几乎不受到弯矩的作用,两边所受弯矩小。分析内力可知,结构构件主要是受到轴向力的作用,而绝大多数木材的受轴向力性能都是非常优越的,这也是广大劳动人民选用木材结构的原因。

2.2 考虑水平力作用

房屋在承受水平荷载作用下,同样取框架中的一榀简化进行受力分析。计算简图如图9所示。

通过结构力学求解器求解得到内力图如图10~12。

通过轴力图(见图10)得知,每根柱子和斗枋、纤子均承受轴向力的作用,这充分发挥了木材轴向性能好的优点。

分析剪力图(见图11)得知,占主要部分的中间构件几乎不受剪力作用;分析弯矩图(见图12),可知两边的柱子承受相对中间大的弯矩,占主要部分的中间构件几乎不受弯矩的作用。

综上所述,在水平荷载作用下,占主要部分的中间构件主要也只受到轴向力的作用,这同样也验证了选择木材结构的原因(因为木材的受轴向力的性能是非常优越的)。即使是水平力作用下,结构构件同样也没有改变其受力特点(主要还是受到轴向力作用)。结构通过纤子将各榀框架连接成一个整体,构成整个空间结构,类似于现代的框架结构。各柱通过榫接,使得各结点处可以简化成铰结点。正是因为通过这种榫接(可以简化为铰),即使是水平摆动情况下带来的能量,也可以得到有效地、巧妙地释放。

3 结论

1)结构在不考虑水平力作用下,结构几乎不承受弯矩的作用,主要承受轴向力的作用,充分发挥了木材轴向性能好的优点;结构在考虑水平力作用下,结构构件同样主要受到轴向力的作用。

2)通过考虑水平力作用与不考虑水平力作用的比较,可知土家族吊脚楼绝大多数受力构件主要是承受轴向力的作用,再加上结构平面布置均匀对称,空间结构也均匀对称,这使得结构受力更加合理;构件与构件之间通过榫接,使得结构整体性和抵抗水平力性能显著提高。

摘要：吊脚楼是贵州土家族的典型传统民居,木结构体系吊脚楼有自己独特的构造。本文使用结构力学求解器对穿斗式吊脚楼进行结构受力分析,发现吊脚楼在不考虑水平力的作用下,主要承受轴向力的作用,其构造充分发挥了木材轴向性能好的特质。

关键词：贵州土家族,典型民居,吊脚楼,穿斗式木结构,结构受力分析

参考文献

煤矿液压支架结构设计与受力分析 第9篇

1 煤矿液压支架的概念及认识

就目前来说, 现在的煤矿液压支架主要是由支柱、底座、顶梁、掩护梁、前后连杆及挡矸板等组成的, 并且是由钢板焊接成箱体的整体结构。它主要用于水平面和小于等于10度的缓倾斜厚煤层沿底板一次放顶煤采全高开采的长壁综采工作面, 也适用于急倾斜特厚煤层水平分层放顶煤综采工作面。

在这里, 一方面笔者认为煤矿液压支架是煤矿领域中综采设备的重要组成部分。它能可靠而有效地支撑和控制工作面的顶板, 隔离采空区, 防止矸石进入回采工作面和推进输送机。它与采煤机配套使用, 实现采煤综合机械化, 解决机械化采煤工作中顶板管理落后于采煤工作的矛盾, 进一步改善和提高采煤和运输设备的效能, 减轻煤矿工人的劳动强度, 最大限度保障煤矿工人的生命安全。

另一方面, 煤矿液压支架是外来物, 也就是说我国开始是没有液压支架的, 国外发明了这样一个煤炭生产的设备叫“hydraulic supportt”or“powered suppor”, 然后才在我国兴起, 并被矿山企业称为液压支架。

从液压支架的原文单词我们可以看出, 这主要是做支护作用的, 是利用液压传动的原理, 实现各种运动来做顶板支护作用的一种设备。它主要作用是支护顶板, 维护安全作业的空间等等。

2 煤矿液压支架的结构

上面已对煤矿液压支架的概念和认识做了阐述, 下面对它的结构做一说明。如果按其组成部分, 即其结构为其概念的话, 那么我们可以这样说:煤矿液压支架是一种以液压为动力, 由液压缸和液压阀等液压元件和其他金属构件组成的一种支护设备。

如果按照概念意义来说, 液压支架是由以下几个部分组成:承载构件、执行元件、控制、操纵元件和辅助装置。下面笔者对每个组成部分做一一概述。

承载构件:顶梁、掩护梁等。顶梁与顶板直接接触, 承受顶板上作业面岩石的压力;掩护梁, 阻挡冒落的岩石进入工作面, 并承受其压力, 从而承受顶板水平推力的部件;底座与底板接触, 传递并承受顶板压力。

控制、操纵元件:操纵阀、隔离阀等各种油缸的控制阀。操纵阀是用来操纵支架各种动作的阀, 是液压支架的指挥元件。

执行元件:各种千斤顶和立柱。立柱是支撑在顶梁和底座之间或者间接承受顶板负载的油缸, 是液压支架主要的动力习性元件, 它的结构强度和形式决定了支架的支撑力大小和支撑范围。

辅助装置:除了以上三种构件, 剩下的都是辅助装置。包括推移装置、复制装置、护帮装置、防倒 (滑) 装置、喷雾照明等等。

但不管怎么来说, 煤矿液压支架是用来控制采煤工作面矿山压力的结构物。采面矿压以外载的形式作用在液压支架上。在液压支架和采面围岩相互作用的力学系统中, 若液压支架的各支承件合力与顶板作用在液压支架上的外载合力正好同一直线, 则该液压支架对此采面围岩十分适应。

3 煤矿液压支架结构设计与受力分析

这一部分主要从四连杆机构设计计算;液压支架平面受力分析;液压支架空间受力分析等方面加以说明。供同行参考。

3.1 四连杆机构设计计算。

在这首先是输入数据。这包括支架的最大高度和最小高度;掩护梁上L4、L18段的长度。其次是输出数据。这主要包括计算出四连杆机构的前连杆、后连杆、掩护梁的长度尺寸及前连杆的的位置坐标X3、Y3。

3.2 液压支架平面受力分析。

为了更形象于说明其情况, 笔者在此用文字和图形的方法来加以说明, 具体如 (图1) 。

从图1我们不难看出, 通过每一个四连杆机构所构成的液压支架在给定的工作阻力下的受力情况, 即能够计算给出前后连杆、立柱千斤顶、平衡千斤顶在任意位置的受力情况及底座所承受的比压。从而可以对比优选。

3.3 在AutoCAD下模拟整体支架升降运动。

笔者按照支架参数切换到“CAD下模拟整体支架升降运动”程序。点击“生成图形”按钮:自动生成支架各运动部件的图块。或者自己动手在CAD下绘制出顶梁、掩护梁、前、后连杆、底座的图块。点击“运行”按钮:按程序提示可在CAD下组装成整体支架, 并在CAD下自动模拟整体支架的升降运动。可以看到支架的整体设计效果。

4 煤矿液压支架的未来发展

根据笔者的不完全分析, 目前我国大型采掘设备面临激烈的市场竞争, 预计到2015年我国煤炭行业将达到3.5万亿元左右的产业销售规模。受我国煤炭开采行业快速机械化的推动, 笔者认为煤炭开采机械设备的需求规模到2015年将会达到301亿元。

这样来看, 我国煤机成套的竞争才刚刚开始, 装备成套化的发展前景十分广阔。通过政策调整和市场导向, 国内煤炭生产逐步朝高产、高效、安全方向发展, 煤矿技术设备正在向重型化、大型化、强力化、大功率和机电一体化发展, 市场需求不断增加。由此可见煤矿液压支架增长率将越来越大, 高端化已成为液压支架行业的发展方向。

摘要：煤矿液压支架是一种利用液体压力产生支撑力并实现自动移设进行顶板支护和管理的一种液压动力装置, 是综合机械化采煤不可缺少的配套设备。文章根据笔者多年来在这一方面的心得体会, 简述了它的概念及对这方面的认识, 在此基础上论述了它的结构设计及受力分析。

关键词：煤矿设备,液压支架,结构设计,受力分析

参考文献

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[3]张立荣.三维CAD技术在机械设计中的应用[J].煤炭技术, 2011 (2) .

[4]王悦勇, 薛仁龙, 李景辉, 魏栋梁, 柳佳岐.液压支架的可视化设计[J].矿山机械, 2010 (9) .

轴端挡板结构的受力分析与设计改进 第10篇

矩形双孔挡板的设计和尺寸选择通常参考标准JB/ZQ 4348-97, 适用于无轴向载荷的固定。本文以汽车起重机臂架根部销轴轴端挡板结构为例, 结合臂架在吊载情况下低速转动的作业特点, 就其在臂架变幅过程中的受力情况进行分析和研究, 并提出设计改进, 为轴端挡板的设计提供部分理论指导。

1 失效形式

轴端挡板的失效形式表现为:螺栓杆的剪断;螺栓杆或连接孔表面被挤压破坏。失效的原因主要有3种可能: (1) 装配过程中螺栓的预紧力不够, 不能产生足够的摩擦力来平衡旋转力矩的作用; (2) 端挡板本身设计不合理, 或是所选螺栓不合适, 或是两螺栓孔距离不够, 最终导致剪切力过大; (3) 轴端挡板与轴的布置位置不合理, 轴端挡板并非在最危险工况下设计、校核。下文将就此做详细的分析。

2 工作原理和受力分析

轴端挡板的工作原理是通过普通螺栓连接 (即受拉螺栓连接) 将挡板和转台连接在一起, 通过螺栓的预紧力使挡板紧压在接合面上, 靠接合面间的摩擦力力矩来平衡旋转力矩。螺栓的受力分析如图2所示。在旋转力矩T的作用下, 挡板有绕通过两螺栓连线中心O-O旋转的趋势。

假设两螺栓连接接合面的摩擦力相等, 与螺栓中心至挡板旋转中心O-O的连线垂直, 根据受力平衡条件得

式中F′螺栓预紧力;

r旋转半径;

ηs接合面摩擦系数, 钢铁接合面干燥时取0.10~0.16;接合面沾油时取0.06~0.10;

kf考虑摩擦传力的可靠系数, 取1.1~1.5;

T旋转力矩。

旋转力矩T的来源如图3所示, 在轴1的转动过程, 轴1与轴套2之间的转动副产生摩擦力, 阻止轴相对于轴套的转动, 摩擦力Ff21对轴的摩擦力矩为Mf=Ff21r=fVGr。

1-轴;2-轴套

将轴上的法向反力FN21和摩擦力Ff 2 1合成总反力FR21, 根据轴1的受力平衡可得

式中, fV为当量摩擦系数, 对于已确定的轴, fV和r都为定值。由图3可知, 总反力FR21始终切于摩擦圆。总反力FR21所产生的摩擦力矩即轴端挡板产生旋转趋势的旋转力矩T。因此该旋转力矩T与法向反力FR21和摩擦力Ff21密切相关。

汽车起重机的工作角度一般为0°~80°, 其中频繁工作角度为30°~70°, 在此范围内根据不同幅度下起重能力的大小之别, 最终会导致法向反力FN21的不同, 因此其总反力FR21也为变化值, 即摩擦力矩Mf (旋转力矩T) 为变化值。通过计算可知法向反力FN21在最大起重量或者最大起重力矩时最大。

总反力FR21的方向可根据臂架的变幅运动来确定, 如图4所示。假设法向反力FN21在最大起重量时最大, 而一般汽车起重机最大起重量幅度设计值为2.5m或3m。变幅油缸做伸长运动, 根据转动副总反力的确定方法, 反作用力F12和F32如图所示, 且都相切于摩擦圆, 大小相等、方向相反。

1-变幅油缸;2-臂架;3-固定件

因此当轴端挡板的位置, 与反作用力F32垂直距离最大时, 由式 (1) 可知, 螺栓的预紧力最小, 即在相同预紧力的情况下, 两螺栓所能提供的摩擦力力矩最大, 螺栓最安全。

通常情况下设计的轴端挡板为水平或者竖直布置, 如图5所示, 通过上面的分析可知, 此种布置方式并不合理, 而当轴端挡板与转动副总反力的方向形成最大垂直距离Dmax才是安全的设计, 图6所示, 显然D1D2

3 结论

1) 轴端挡板的设计应结合相应轴的实际受力情况, 需通过计算校核预紧力的大小, 不可生搬硬套标准JB/ZQ 4348-97。

2) 轴端挡板的布置的理想情况是与轴所受最大总反力的方向形成最大力臂, 此为轴端挡板布置的最安全位置。

3) 轴端挡板水平或竖直布置加工方便, 而与轴成一偏斜角度会增加加工难度。

参考文献

[1]JB/ZQ 4348-97.轴端挡板[S].

[2]许立忠.机械设计[M].北京:机械工业出版社, 2003:207-208.

浅谈物体受力分析 第11篇

关键词：物体受力

受力分析就是把选定的物体（通常称为研究对象）在特定的物理环境中所受到的所有的力找出来，并画出它的受力示意图的过程。很多学生都是凭自己的感受分析一个物体的受力情况，没有一定的科学方法，结果漏洞百出，不是多算一力就是少算一个力，我们知道，力是改变物体运动状态的原因，所以物体运动状态的改变是由于它所受各种力作用的结果，而这些力间的相互关系也正由物体的运动状态来反映。而平衡和运动问题是高考的热点，二者都离不开物体的受力分析。下面我就简要谈谈如何对物体进行受力分析。

一、物体受力分析一般采取以下的步骤

1.明确研究对象。可以是某个物体也可以是整体。合理选取研究对象，并把它从周围的物体中隔离出来。所选取的研究对象要受力情况清楚，与所求的力和己知力有联系，并能简单方便的求解。若要对几个物体进行受力分析，应先隔离受力简单的物体，后分析受力较复杂的物体。受力分析的对象可以是绳子的结点、也可以是一般的物体或物体组成的系统，这要根据问题的实际和需要来确定。

2.按照分析力的一般顺序找力。先重力，再弹力（弹力包括压力、支持力、拉力等）、后摩擦力（动摩擦力和静摩擦力），最后其他力（如：磁场力，电场力、分子力等）。必要时要用力的概念和产生条件或假设法判断这个接触力是否存在.即接触力的分析要“两看：一看已经受的力所产生的作用效果，二看物体所处的运动状态”。

3.画物体受力图，没有特殊要求，则画示意图即可，即不需要精确画出力的大小，只要把力的方向画正确，作用点画出（共点力）并大概画出力的大小即可。特别要注意同一个物体只能画出一个作用点，这个作用点一般就画在物体的重心上，这样便于力的分析。同时画受力图时，注意a.力的作用点可沿作用线移动.b.各个力的符号。

4.验证：a.每一个力都应找到对应的施力物体b.受的力应与物体的运动状态对应。

二、高中物理受力分析的辅助手段

（1）牛顿第二定律（物体有加速度时）

（2）牛顿第三定律（内容：两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在一条直线上）

（3）物体的平衡条件（共点力作用下物体的平衡条件是合力为零）

三、物体受力分析时应注意以下几点

1.防止“漏力”和“添力”每分析出一个力，应找出该力的的施力物体和该力对物体产生的效果，否则，该力的存在就值得考虑。（l）严格按照受力分析的步骤进行分析是防止“漏力”的有效措施；注意寻找施力物体是防止“添力”的有效办法。找不到施力物体的力肯定是不存在的。（2）有弹力才可能有摩擦力，弹力与摩擦力的方向相互垂直。

2.只分析研究对象所受的力，不分析研究对象施给其他物体的反作用力。

3.不要把物体的受力分析和力的合成与分解相混淆，“合力”是物体实际所受各力的“等效力”，“分力”是从一个力的作用效果“等效”出来。“合力”、“分力”都不是物体受到的真实力，因此在分析受力时，不要画出“合力”、“分力”的图示，即要保持其原滋原味。

4.为使问题简化，常要忽略某些次要的力，如物体运动速度不大时的空气阻力及水的阻力，轻杆、轻绳、轻滑轮等轻质物体的重力可以不考虑等等。

5.当解决问题先后要对几个物体进行受力析时，通常会先分析受力个数较少的物体的受力。

6.物体受到的多个力的作用点可以平移到同一点上，一般为重心处。

例1一个物体沿斜面向下滑，此時受到哪几个力的作用？

解析：物体此时受到重力、支持力和摩擦力三个力的作用，容易错误分析成：认为还受到一个沿斜面向下的下滑力，实际上是不受这个力的，因为找不到施力物体。

例2A、B、C三木块叠放在水平桌面上，对B物体施加一水平向右的推力F，三木块均静止，分别分析三个物块受到的力。

解析：A物体受两个力的作用：重力和B对A的支持力

B物体受五个力的作用：重力、推力F、C对B的支持力、A对B的压力、C对B的摩擦力

C物体受五个力的作用：重力、地面对C的支持力、B对C的压力、B对C的摩擦力、地面对C的摩擦力。

例3：如图1—6所示，小车上固定着一根弯成α角的曲杆，杆的另一端固定一个质量为m的球，试分析下列情况下杆对球的弹力的大小和方向：（1）小车静止；（2）小车以加速度a水平向右运动；（3）小车以加速度a水平向左运动。

解析：此题杆对球的弹力与球所处的运动状态有关。分析时应根据不同的运动状态具体分析。（1）小车静止时，球处于平衡状态，所受合外力为零，因重力竖直向下，所以杆对球的弹力F竖直向上，大小等于球的重力mg，如图1—7甲所示。

（2）当小车向右加速运动时，因球只受弹力和重力，所以由牛顿第二定律F=ma得，两力的合力一定是水平向右。由平行四边形法则得，杆对球的弹力F的方向应斜向右上方，设弹力F与竖直方向的夹角为θ，则由三角知识得：F=（mg）2+（ma）2，tanθ=a/g如图1—7乙所示。

（3）当小车向左加速运动时，因球只受弹力和重力，所以由牛顿第二定律F=ma得，两力的合力一定是水平向左，由平行四边形法则得，杆对球的弹力F的方向应斜向左上方，设弹力F与竖直方向的夹角为θ，则由三角知识得：F=（mg）2+（ma）2，tanθ=a/g如图1—7丙所示

可见，弹力的方向与小车运动的加速度的大小有关，并不一定沿杆的方向。杆对球的弹力方向不一定沿杆，只有当加速度向右且a=gtanθ时，杆对小球的弹力才沿杆的方向，所以在分析物体与杆固定连接或用轴连接时，物体受杆的弹力方向应与运动状态对应并根据物体平衡条件或牛顿第二定律求解。

黄骅港翻车机转子结构受力分析 第12篇

目前的翻车机主要是转子式和侧倾式, 这两种翻车机都是从车辆的侧向倾斜, 但转子式翻车机是将定位于转子平台的车辆, 就地回转翻卸。而侧倾式翻车机车辆翻转机构的中心位于车辆的侧上方, 翻卸时, 车辆在提升中翻转, 然后将物料卸于另一侧的料斗中, 而前者料斗位于翻车机转子的下方。侧倾式翻车机卸载点高, 料斗大部位于地面之上, 翻车机系统的地下基础较简单。而转子式翻车机由于翻卸速度较快, 作业效率高, 驱动功率较小, 适用于大型化, 故现代翻车机卸车系统的发展, 主要是转子翻车机。转子式翻车机一般由两个O型端环和载车平台, 若干联系梁和各种支撑杆体构成笼形的翻车主体。这种O型端环受力好, 构件较轻, 是通用的转子形式。但有些翻车机由于车辆推送系统的设计原因, 定位车的推车臂需要穿越转子, 因此将转子设计为C型。翻车机上需要安装若干附加设施。如:加装车辆振车器, 设置喷水装置, 用于作业时撒水除尘;北方地区为解决冻车卸车附设的装置等。总之, 我国的翻车机卸车系统已经有了很大的发展, 但由于我国物流系统的条件或管理上欠规范等问题, 例如我国车辆最大载重量60t, 而美国车辆载重量100t, 是我国车辆载货量的1.66倍, 而且国外通常的卸车系统所用翻车机, 以双车翻车机和单车翻车机为多。因此与国外相比, 虽然采用了国际先进的机械, 在作业效率上却达不到国外的水平。

黄骅港翻车机钢结构是由德国克虏伯公司设计并由大连重工集团制造, 为了确保翻车机主体钢结构运行时的可靠性, 需要对该翻车机主体钢结构进行了较精细的有限元计算。翻车机翻车方式可分为三种:无车翻车、冻车翻车、重车翻车。无车翻转时翻车机内无车辆, 只是翻转其自身钢结构, 在设备维护时, 可将翻车机翻转到最利于维修的角度, 设备在安装或大修后最先调试的是无车阶段。冻车翻转是指煤质含水分较高且气温非常低时发生的情况, 其产生概率非常低。如有冻车情况, 一般配有加热器进行加热解冻。重车翻转时翻车机工作在正常状况下, 装满物料的敞车在翻车机内定位后, 翻车机翻转165°, 待物料翻卸完毕后, 将空车翻转返回原位, 并保证翻车机平台轨道与地面轨道对齐, 以便车皮能够顺利地进出翻车机。

本课题所研究的翻车机为两车两组三梁双驱动环结构。为了加固, 在翻车机两个驱动大环外的端部还布置了两个连接三个梁的小环。整个系统由转子、托轮系统、旋转驱动系统、压车系统、靠车系统等组成。转子主体由一根主梁、两根侧梁、两个O形驱动大环和两个端部连接小环组成, 驱动大端环支撑在底座两组滚轮上。由于结构及载荷的对称性, 取一组翻车机的一半作为研究对象。为全面准确地评估结构工作时的受力状态, 建模时充分考虑了细节, 得到能够反映翻车机力学特性的力学模型, 如图1-1所示。

本论文中, 通过对翻车机实际结构和工作时受载情况进行详细分析, 给出了翻车机合理的力学模型和有限元模型。利用有限元分析软件ANSYS, 对翻车机在三种载荷 (满载100吨、超载120吨及冻煤情况) 作用下的不同倾翻角位置进行了分析计算。

1翻车机转子有限元模型的建立

1.1模型的简化

翻车机转子是采用板、梁等组合的箱型结构, 翻车机端环、底梁及箱形梁等均由钢板焊接或高强度螺栓连接而成, 内部包含许多人孔与筋板, 结构比较复杂。为此在满足计算精度要求的前提下, 对转子结构进行了如下简化。

1.1.1在建模过程中忽略较小的工艺孔及筋板;

1.1.2去除了端环导轨和端环齿圈, 将其质量特性均匀的加到转盘的外圈;鉴于缓冲装置在进行静力学分析时作用不大, 在此忽略;省略了压车机构和靠车机构上的振车器、逆止器等与主体应力分析无关的零部件, 但将它们的质量分别添加到主体构件中。

1.1.3由于转子结构、荷载及支撑条件是对称的, 取翻车机的一半作为研究对象, 这样可大大节省空间, 提高计算速度。

对于以上进行的一系列简化, 分析结果不可避免存在影响, 但能够保证其误差在偏差允许范围内。

1.2边界条件的确定

针对翻车机转子的结构特点即力学特性, 施加的约束条件如下:

1.2.1端环托轮处简化为8个沿径向支撑的约束, 切向及轴向自由。

1.2.2驱动齿轮啮合处沿切向和径向约束。

1.2.3大梁中部对称面处施加对称约束。

1.3模型的网格划分

1.3.1定义单元属性

在划分网格之前, 必须定义单元属性, 即设定单元类型、定义实常数、定义材料特性以及截面号等。其中选择有限元分析模型的单元类型尤其重要。应根据所分析问题结构特征, 选择合理的单元类型, 既要保证高的计算精度又要有较快的计算速度。

根据翻车机转子的结构特点, 选用空间壳单元 (shell63) 对转子进行离散。shell63壳单元具有如下特性:

SHELL63壳单元SHELL63单元为任意的四边形等参数单元, 具有弯曲、面内刚度, 允许使用面内载荷和法向载荷, 每个节点有六个自由度, 分别是x, y, z方向的平移和绕节点x, y, z轴的转动, 并且包含了处理应力刚化和大变形功能。图1-2为SHELL63单元的力学模型。

1.3.2模型的网格划分

网格的划分主要用于定义研究对象边界元素的大小和数目, 它将直接影响分析时的正确性和经济性。ANSYS提供了四种网格划分方法:延伸划分、映射划分、自由划分和自适应划分。本文真对翻车机转子的特点, 采用了映射划分与自由划分相结合的方法。自由划分适用于那些形状不规范的模型, 其最大的优点是划分过程完全由计算机自主完成, 简便快捷, 但划分过程不可控制, 容易产生尖角等错误;而自由划分可以人为控制划分过程, 划分过程相对复杂, 一般精度较高, 错误较少。本文中的模型以映射划分为主, 但有些面积小又不规则的面, 采用自由划分方式划分。整个模型共119902个单元, 115439个节点。

1.3.3定义材料的属性

该翻车机使用的钢板材质为碳素钢Q345D, 其弹性模量为207GPa, 泊松比为0.27, 密度为7850kg/m 3, 屈服应力为235MPa, 许用应力可取为160MPa。

1.4翻车机载荷的施加与求解

1.4.1翻车机转子载荷工况的选择

翻车机为低速重载设备, 结构在翻卸过程中, 受力大且复杂。在本课题中, 考虑了如下载荷:煤重、车厢自重、结构自重、压车力、靠车力、附件重等。通过对翻车机运动的仿真分析, 得出压车机构、靠车机构以及底梁的一系列载荷时间历程对翻车机在三种载荷 (满载100吨、超载120吨及冻煤情况) 作用下的不同倾翻角所对应的载荷进行应力分析。

1.4.2翻车机施加载荷的计算

C80车厢重18.3吨, 满载100吨时, 煤重81.7吨, 超载120吨时, 煤重101.7吨, 考虑车厢反转时惯性的影响, 煤的安息角取为60°。煤及车厢的重量通过车轮 (单节车厢8个轮) 及倾翻侧侧梁的液压缸部位, 分别施加于主梁和侧梁的相应节点或面上, 另外, 当倾翻角大于90°时, 对主梁底面的支架也有作用力。随着翻车机倾翻角度不同, 车厢内煤的重量不同, 对于计算的几种工况, 倾翻30°、45°、60°时无煤从车厢内卸出, 当倾翻70°、80°、90°、100°、110°、120°、135°时有部分煤卸出, 倾翻到150°时煤全部卸出。

大梁、侧梁、驱动大端环及上面的齿条和导轨、小端环、配重等的自重, 在Ansys建模时给出材料的密度和重力加速度, 程序会自动将重力计算出来并按静力等效的原则等效到有限元模型的节点上。

1.4.3各种附加载荷的计算

1.4.3.1驱动端环附件载荷计算

(1) 端环导轨:端环导轨重量3.66t, 均布在端环相应截面沿外圈270度范围内;

(2) 缓冲器:缓冲器自重0.731t, 配重3t, 均布在端环相应截面2190 m m弧长范围内;

(3) 端环外侧齿圈:齿圈重量4.395t, 均布在端环相应截面外圈196度范围内;

(4) 端环配重:驱动端环下部2个环扇形配重, 小环扇形重3.655t, 大环扇形重4.569t。

1.4.3.2大梁及侧梁附件载荷计算

(1) 压车梁单重0.9t, 压车梁处油缸单重0.6t, 施加于侧梁和支架底部;

(2) 倾翻侧靠车板与震车器总重11.502t, 施加于侧梁和支架底部;

(3) 非倾翻侧震车器单重0.2t, 施加于侧梁及圆管处。

2有限元计算结果及其分析

有限元的计算结果:

本部分针对翻车机三种载荷 (满载100吨、超载120吨及冻煤情况) 下的不同倾翻角, 以云图的方式给出了位移和应力计算结果。

由表2-1可见, 满载和超载工况下最大应力均发生在倾翻角45度时, 分别为63.969MPa和69.5MPa, 其次为60度时;在满载冻煤工况下最大应力发生在倾翻角180度时, 其值为96.94MPa, 而在150度时, 也有较大的应力值, 但这些数值均远小于材料的许用应力值, 表明结构是安全可靠的。再由表2-2可见, 整体的位移值均较小, 表明结构有足够的刚度。

(MPa)

(mm)

可以看出, 三种工况下的最大应力均发生在倾翻角为0度时, 而在倾翻角达到100度时, 应力均减小为最小值, 且数值相等。当倾翻角为90度时, 满载和超载工况下的应力值达最大, 而对于冻煤情况, 当倾翻角为120度时, 应力值达最大。当倾翻角为60度时, 满载和冻煤工况下的应力值达最大, 而对于超载情况, 当倾翻角为45度时, 应力值达最大。应指出, 三梁翻车机属内部高度超静定结构, 制造和安装会带来一定的残余应力和装配应力, 可能会导致局部的疲劳开裂。以上所得结果, 对于了解结构的应力状况、变形特点以及改进设计等具有重要的参考价值。

本文以黄骅港煤码头二期工程安装的两车两组三梁翻车机钢结构为对象, 通过对翻车机实际结构和工作时受载情况进行详细分析, 给出了翻车机合理的力学模型和有限元模型。利用有限元分析软件ANSYS, 对翻车机在三种载荷 (满载100吨、超载120吨及冻煤情况) 作用下的不同倾翻角位置进行了分析计算。找出了翻车机的主要部件的最大受力位置。并找到了翻车机转子在工作过程中的最大应力点和最大位移点。通过计算的结果为了解两车两组翻车机设备使用过程中的变形及受力状况提供准确的数据, 确保设备安全运行。

参考文献

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