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隨著三峽二期工程的結(jié)束，工程中用于混凝土澆筑和金屬結(jié)構(gòu)安裝的纜機(jī)也要進(jìn)行拆除。其中從德國(guó)進(jìn)口的2臺(tái)擺塔式纜機(jī)由于塔架高度和跨度均為國(guó)內(nèi)使用的纜機(jī)之最，為確保其安全拆除，需要在纜機(jī)主、副塔內(nèi)側(cè)布置輔助纜風(fēng)。輔助纜風(fēng)由臨時(shí)地錨、轉(zhuǎn)向拉桿、塔頭拉耳、塔頭轉(zhuǎn)向桿、千斤頂及鋼絞索等組成。由于千斤頂和鋼絞索為外協(xié)供貨，這里，需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)制作安裝的輔助纜風(fēng)用轉(zhuǎn)向拉桿、塔頭拉耳、塔頭轉(zhuǎn)向拉桿進(jìn)行有限元分析和校核，以利于改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工提出合理化建議。
輔助纜風(fēng)錨固結(jié)構(gòu)(上部與擺塔連接部分)模型主要由塔頭拉耳、塔頭轉(zhuǎn)向拉桿，下吊架等組成，如圖所示。塔頭拉耳焊接在擺塔上，塔頭轉(zhuǎn)向拉桿通過(guò)下吊架與鋼絲繩連接。實(shí)體模型主要由鋼板、銷軸和焊縫等組成。在模型建立中主要的問(wèn)題是焊縫的處理，要考慮焊縫的類型和焊接施工的方法。設(shè)計(jì)圖紙顯示，模型采用的是角焊縫，有些地方施焊時(shí)需要開(kāi)坡口。為此我們分2個(gè)階段實(shí)施。第一階段：不考慮焊接時(shí)的坡口，直接按照角焊縫進(jìn)行建模，一方面可以簡(jiǎn)化模型，提高計(jì)算效率；另一方面，由于這樣做實(shí)際上減少了焊縫的有效焊接長(zhǎng)度，使得計(jì)算結(jié)果偏向安全。第二階段：根據(jù)第一階段的分析結(jié)果，看是否需要進(jìn)一步把模型精確化。即如果第一階段的結(jié)果在許用范圍，并有相應(yīng)的安全系數(shù)，則無(wú)需進(jìn)行第二階段。但是，如果第一階段結(jié)果大大超過(guò)許用值，則需要在其基礎(chǔ)上修改、精化模型，并作進(jìn)一步計(jì)算。
建模中主要考慮主焊縫，即塔頭轉(zhuǎn)向拉桿的耳板焊縫和塔頭拉耳的焊縫。筋板的焊縫沒(méi)有進(jìn)行實(shí)體建模，而是通過(guò)Boolean操作進(jìn)行模擬，所有的銷軸與孔的作用通過(guò)Contact(bonded always)約束。合理的網(wǎng)格劃分是求解正確的重要保證，主要包括單元的選擇及網(wǎng)格密度的控制。在有限元建模中，單元的選擇及網(wǎng)格劃分應(yīng)遵循以下基本原則:(1)在能夠解決問(wèn)題的前提下，選擇最簡(jiǎn)單的單元。(2)盡量不要用特殊單元，除非確信需要使用并且沒(méi)有可以替代的單元。(3)通過(guò)粗劃網(wǎng)格求解，來(lái)了解待求解系統(tǒng)的主要物理特征，然后有重點(diǎn)的細(xì)化網(wǎng)格，進(jìn)一步精確求解。在這里，我們選擇了ANSYS的92號(hào)實(shí)體單元，Solid92是三維10節(jié)點(diǎn)四面體單元，能夠適應(yīng)模型的較大形狀改變。對(duì)于網(wǎng)格劃分的密度，我們根據(jù)考察重點(diǎn)的不同，各個(gè)組件采取不同的劃分密度，主要通過(guò)全局網(wǎng)格邊界長(zhǎng)度((element edge length)進(jìn)行控制，對(duì)銷軸和孔的接觸部位采用了對(duì)幾何元素線的劃分段數(shù)進(jìn)行控制的方法。在初次劃分時(shí)我們對(duì)整個(gè)模型網(wǎng)格劃分比較粗糙，這樣快速得到求解結(jié)果，通過(guò)這個(gè)初步的結(jié)果，我們得到了各個(gè)位置應(yīng)力與變形的相對(duì)大小，找到分析的重點(diǎn)：焊縫與塔頭拉耳。設(shè)計(jì)中所用到的材料主要是Q345和45鋼，查閱相關(guān)手冊(cè)，對(duì)計(jì)算過(guò)程中整個(gè)裝置的材料特性設(shè)置如下：楊氏模量EX:2.06e5，泊松系數(shù)NUXY:0.30由于所受到的拉力非常大，2套100t的千斤頂來(lái)產(chǎn)生拉力，同時(shí)作用在這個(gè)裝置上(上面靠近塔頭部分)，而整個(gè)裝置的質(zhì)量只有1t和200t的載荷相比很小，所以計(jì)算中沒(méi)有考慮重力作用；同時(shí)由于跨度大，忽略這兩個(gè)1Xe6N力的夾角，而采用平行加載的方式。對(duì)于作用在下吊架上的鋼絲繩拉力，對(duì)之進(jìn)行空間分解，分解力集中加載，經(jīng)過(guò)計(jì)算，鋼索與水平面角度成43.18°時(shí)載荷最大，在此角度下進(jìn)行分解加載，分解為x、y、z3個(gè)方向，其中x，y方向的分力將以其在平面的合力進(jìn)行加載：所以整個(gè)裝置(上面靠近塔頭部分)的總載荷為以上數(shù)值的2倍。將所得分解力以集中載荷加載在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上。
通過(guò)第一階段建模求解數(shù)據(jù)顯示：整個(gè)裝置受載后最危險(xiǎn)點(diǎn)發(fā)生在塔頭拉耳與塔架連接的位置的邊緣，該位置的應(yīng)力最大值超過(guò)了所用材料Q345的最大強(qiáng)度值630MPa，而其他位置的應(yīng)力值都在300MPa以內(nèi)，這就需要進(jìn)行第二階段的工作。
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