水电站引水隧洞钢模台车弧形模板有限元分析与优化设计

水电站引水隧洞钢模台车弧形模板有限元分析与优化设计

1承圆弧形状其中之一是用拱门钢模块法拉迪沃斯塔特尔曼法测试车的方案。指针的螺纹连接为圆形。在牵引装置的作用下,模板在针梁上滑动,混凝土浇筑施工使用过程中针梁承结构载荷和混凝土浇筑载荷,弧形模板承受着浇筑时的混凝土压力,随着浇筑时段的变化,弧形模板的受力位置大小都发生变化,其受力复杂,因此钢模台车模板的设计计算显得尤为重要。2弧形模板施工三峡电站引水隧洞钢模台车的模板从截面方向看,其整个模板圆周直径为13500mm,分为5个部分,弧度分别为:底模100°,两块侧模分别72°,两块顶模分别为58°。每块模板在轴向方向又分为4块,成弧形布置。其轴线半径,即隧道半径为40000mm。每块弧度为2.5°,一共10°,即每次施工浇注10°。如图1、图2所示。为了更详细的说明弧形模板的结构,使用绘图软件PRO/ENGNEER进行三维建模。部分零件和整体模板装配图,如图5所示。钢材为q235钢。弧形面板厚度为6mm,半月亮形腹板厚度为10mm。在各块2.5°的单模板的两侧各加有一块弧形翼板,其长度和各模板长度一样,截面尺寸为(10×250)mm.,在板的两头也加有侧板,面板背面每隔600mm弧长有一根纵向L63×6的角钢。3面模的建立和材料属性的体现由于将以上用PRO/E建立的实体模板模型导入到有限元分析软件ANSYS中产生的各个零件之间连接不好、且曾在多线重合的状况。因此终于找到了一种解决以上两种问题的方案:先在PRO/E里面把整个模板简化并作为一个零件来建模,这样保证各个部分之间的有效连接,利用PRO/E曲面建模功能建立弧形模板曲面和曲线,然后保存为IGES格式后导入到ANSYS里面,删除不必要的曲面和曲线,进行必要的修补。为了真实反映L型钢、纵筋板同面板之间的连接关系,对L型钢、纵筋板做了偏置。材料属性采用Isotropic,弹性模量为2.06e5MPa,泊松比0.3。面板和腹板采用壳单元,其它型钢采用梁单元。网格划分采用自由网格划分,建立好的有限元模型,如图6所示。4限制条件和负荷4.1液压油缸端部约束的施加根据模板在整个钢模台车中的支撑,如图7所示。经分析和一定简化,在液压油缸端部施加3方向约束(X,Y,Z),在底模的4个加强腹板的底部与支架的两连接处施加所有方向的约束,如图8所示。4.2混凝土凝固速度混凝土与其它液体(或液态物质)不同之处在于其具有时间效应,即随着浇注时间的增加,其流动性逐渐丧失,慢慢由流动和半流动状态转化为固态,对模板的压力也逐渐减小至消失。文献中关于混凝土的侧压力给出了另一个计算公式:F=0.22γct0β1β2V1/2(1)凝时间;V—混凝土在高度方向上的浇筑速度。式(1)全面考虑了混凝土的初凝时间、浇注时间、外加剂和坍落度对初凝时间的修正,计算结果相对符合实际情况。根据此公式计算得到三峡台车混凝土最大压力值约为5t/m2。即有如图9所示压力作用曲线。另外,对于钢模台车,浇注时混凝土的浇注速度控制在弧长1m/h,从底部向顶部两端对称浇注,而混凝土一般在浇注4h后,下部的混凝土发生初凝,转化成为固态,对模板的压力也就消失,那么在台车整个衬砌高度施加压力也是不合理的。因此将模板浇注混凝土过程分为6个工况:浇注过程中每弧长4m一个工况,刚好符合凝固速度,浇注完成完全凝固后一个工况。如图10～图15所示。5浇注侧模时的应力和变形通过以上六个工况的有限元分析,得到台车各状态下总体变形和应力情况。挑选典型工况4展示ANSYS分析图,如图16～图18所示。侧模浇注混凝土时,在台车混凝土浇注部位出现较大的应力和变形。对各工况进行比较可以看出特别在侧模板靠下部和中部浇注时应力和变形相对要大。因此为了防止在侧模浇注的过程产生过大的变形,可以在侧模板处拉一些钢筋。从工况2的计算结果可以看出,在浇注侧模时,模板的应力达到较大的值,但最大应力值141.275MPa小于许用应力200MPa,满足强度要求。全部凝固后最大变形为3.803小于10mm,满足刚度要求。6优化方案参数分析为了保证模板的刚度、强度的前提下,节约材料降低成本,现选取其中具有代表性的侧模板上的一块2.5°的弧形模板作为设计方案优化案例,如图19～图21所示。优化方案将月亮形腹板改为桁架结构。其中底部和顶部中间横梁为18号工字钢,中间用垂直10号槽钢,顶部短纵筋为75×8角钢,顶部四周侧边为截面10×250板材。将最外侧两根槽钢向中间倾斜放置,可使其应力均匀分布,从而减小了应力的最大值。优化方案最大变形为3.9mm,发生在模板顶部中点处。最大应力为154.2MPa,发生在两端斜支的整根槽钢上,且在此槽钢上均匀分布。原方案单块模板质量为3.57t,优化方案为2.75t,优化方案与原方案相比减小了模板重量的22.97%,节约了成本。其刚度和强度都满足工作要求。此结构杆件的布置符合应力的分布趋势。7从不同的工作工况进行优化设计结果,进行了比对化、重新调整的模首先对针梁钢模台车的结构进行了分析,建立了模板的三维模型,在使用软件ANSYS对弧形模板进行刚度和强度校核时,根据其实际工作情况,把其分为6个工况分别进行分析,其分析结果更符合实况,结果显示其满足工作要求。在刚度和强度校核之后,为了减轻重量,节约成本,进行了