龙门钢结构的受力变形与动态响应分析

龙门式钢结构的受力变形与动态响应分析摘要：龙门结构占地面积小，可快速拆卸安装，宽度、高度可分级调节，当钢架构设计合理时，能承受从100〜5000kg重量。龙门结构也可以多样变化,如在龙门结构上组合拧紧功能单元,就是一台拧紧机,组合搬运的机械手,就是一台搬运机,龙门结构还可长可短,某汽车生产厂家有一条1000米的长龙门和18台搬运机械手组成的搬运生产线,生产节拍为61s，从节拍、占地、能效上来说，龙门结构尤其适用于车间设备或工件的安装、搬运、调试等工位。龙门的长度和刚性、稳定性成反比，要设计好龙门结构就需要分析钢结构的受力变形和进行动态影响分析。关键词：龙门式钢架设计；设计探讨;受力分析当前龙门式钢架设计中存在的问题汽车生产线工厂主要结构体系一般为门式钢架结构，以大型立柱型材起主要支撑作用，小型薄壁式型材呈网格状空间结构焊接在立柱上，两个立柱之间的跨度一般为9〜36m；当焊装设备如拧紧机悬挂在钢结构型材上工作时，容易引起钢结构网较大的变形，同时随之引起钢结构的动态响应，产生振动。客户作业人员在施工时，因拧紧机位置上的钢结构的变形和动态响应，会对焊装设备结构设计产生较大的质疑，从而对拧紧机影响钢结构的变形及动态响应进行分析，量化焊装设备对钢结构的影响，为结构设计提供依据。钢结构分析模型本文中的举例分析为拧紧机和龙门的组合。如项目上有两台拧紧机安装在汽车生产线工厂龙门式钢结构跨度为12m的小型工字钢上，分别为飞轮和HEAD拧紧机。飞轮拧紧机设备总重为362kg，其中运动部分的重量为132kg，下降运行的速度为100mm/s，加减速时间为0.2s；HEAD拧紧机设备总重为349kg，其中运动部分的重量为95kg，下降运行的速度为100mm/s，加减速时间也为0.2s。根据拧紧机工作和不工作时对钢结构的受力，取拧紧机工作的运行冲击系数B为1.3。表1飞轮拧紧机静载荷与动载荷设备总重mo349kg下降部分童量95kg减速时间t02s运行速度V0.1m/s加速度B05nV/s加减速引起载荷Fa47.5N静态载荷G3424N运行冲击系数013动态载荷F4513N表2HEAD拧紧机静载荷与动载荷设备总蚩| 362kg下降部分132；kg减速时间r0.2s运行速度V0.1m/s加速度刀0.5m2/s加减速引起载荷忌66N静态载荷G35S1N运行冲击系数013动态载荷F4702N计算拧紧机加减速产生的载荷，工作因冲击引起的动载荷，得到飞轮和HEAD拧紧机对钢结构的静载荷与动载荷分别见表1和表2所示。按客户工厂的钢结构模型，建立壳单元的有限元模型，对几何模型进行细节处理，采用四边形单元划分网格，可以使得模型能够均匀传递力，不容易产生畸变。钢结构模型节点数为629545个，单元数为616530个。对拧紧机滑轨则采用一维梁单元进行建模，节约模型的计算资源。钢结构在计算中固定约束钢结构的连接端点A、B、C、D、E、F、G和H,加载位置则根据拧紧机在工作时位于钢结构梁上不同的位置，取最变形量最大的轨道中间位置。因此，根据约束和载荷可组合静态和动态两种工况，同时进行钢结构的瞬时动力分析，测量钢结构在飞轮和HEAD拧紧机位置上的变形量和动态响应。钢结构的变形量按以上约束和载荷计算两种工况下钢结构的变形，得到动载荷工况下钢结构的变形云图如图1所示。其中钢结构在静态载荷作用下，飞轮拧紧机垂向为Y方向上的最大变形量Umax=-5.08mm，最小变形量为Umin=2.72mm；HEAD拧紧机垂向为Y方向上的最大变形量Umax=-6.63mm，最小变形量为Umin=3.55mm；钢结构在两种载荷作用下相对变形量分别Umax=1.55mm，AUmin=0.83mm。从设计限定的1/1000的扰度为12mm来看，拧紧机工作的影响都在钢结构弹性限度要求内。GI鈕JM47B■SlFKIBmi^!yiffiintw■SEfiJE*®IGI鈕JM47B■SlFKIBmi^!yiffiintw■SEfiJE*®IZJMEhKII.W3E+WJ1-iMSEmKi十工E&iE七冒-?.sraE»ut-1.5任你■7中*也:■-1iBQEtU：TZfTE^a■:TrZJCKKTK«啲-F汕®."LL«MS3Mi•>ant«*w (■*•<*•：-亶址晒*-i•：■冲EDM—：■“1ULW」lAJA^U『i1AWEI55图1钢结构在拧紧机动载下变形云图钢结构的动态响应瞬态动力学分析是确定承受任意随时间变化载荷结构的动力学响应的一种方法，可以分析结构在稳态载荷、瞬态载荷和简谐载荷及组合作用下，位移、应变及应力随时间变化的情况。载荷和时间的相关性使得惯性力和和阻尼作用明显。如果惯性力和阻尼作用不明显，即可以用静力学代替瞬态分析。瞬态动力学的基本运动方程为：[M][町+«][“]+"|L训二[卜化丿」 (1)式中：[M] 质量矩阵；[C]――阻尼矩阵；[K]――刚度矩阵；[u]——节点加速度向量；[u]——节点速度向量；[u]――节点位移向量。]若给定任意时间t,方程(1)可看作是一系列考虑了惯性力[][]Mu和阻尼力[][]Cu的静力学平衡方程。为了节约计算机计算资源，只取飞轮和HEAD拧紧机加减速时间为0.2s，总的运行时间为1.5s，设钢结构的阻尼比Y=0.2，粘性阻尼W=300N/(mm/s)，钢结构系统质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵则由软件从壳单元和一维单元模型中自动解算，节点加速度、速度和位移向量则由拧紧机作用点的载荷谱开始，求解钢结构各个节点的加速度、速度和位移。计算得到飞轮和HEAD拧紧机Y向位移时间曲线如图2和3所示。得到飞轮拧紧机工作过程中的振动幅度F=0.35mm，HEAD拧紧机工作过程中的振动幅度F=0.49mm。图3HEAD拧紧机Y向位移时间曲线根据拧紧机静载和动载下钢结构最大变形差为1.55mm，工作过程中最大振动幅度为0.49mm，匀速运行时振动幅度较小为0.2mm，可以认为拧紧机的工作引起钢结构的变形量和振动幅度是很微量的。5结语通过上文的计算分析，可以看出，在设计龙门式钢结构时，需要进行受力变形与动态响应分析，