快速定量装车站钢结构优化设计研究.pdf

收稿日期2007-12-17 作者简介张 新 1968- , 男, 山东泰安人 , 高级工程师,1992年毕业于山东矿业学院, 主要从事高层钢结构、 煤 炭储装运工艺及设备的科研和设计开发工作。 快速定量装车站钢结构优化设计研究 张 新 天地科技股份有限公司, 北京 100013 摘 要 采用先进的有限元分析技术 , 建立相应的数学模型 , 对快速定量装车站钢结构进行 优化设计, 对装车站结构提出有效的优化方案, 合理地分布载荷, 确保钢结构稳定、 可靠的工 作 , 也为装车站钢结构提供了设计的依据 , 同时, 减轻结构的重量, 有效降低成本 。 关键词 装车站 ; 钢结构;优化设计 ; 有限元 中图分类号 T U 391 文献标识码 B 文章编号 1671- 0959 2008 04- 0023- 03 0 引 言 近几年, 快速定量装车站在我国获得广泛应用,快速 定量装车站 [ 1]实现了列车连续、 高效、 准确装车和精确计 量, 成为煤炭铁路快速装车的有效手段。 装车站钢结构具 有结构复杂,断面小、 高度高, 工作荷载大的特点,要求 整体结构必须具有足够的刚度和强度, 并具有足够的抗风、 抗震能力。 本文采用优化设计技术, 建立相应的数学模型,对快 速定量装车站钢结构进行系统的力学分析, 按照钢结构设 计的原则和方法, 对钢结构进行优化设计, 从而, 在众多 的方案中选出最佳的设计方案, 满足大型快速定量装车站 安全和效益两方面的要求。 1 钢结构优化的有限元法 结构优化设计 [ 2]是近 20多年来发展起来的, 将数学的 最优化理论结合计算机技术应用于结构设计的一种新型设 计方法。 装车站钢结构属大型复杂结构,其优化工作量非 常繁重, 设计中需要考虑的因素也非常复杂。 有限元分析 是工程领域中应用最为广泛的数值方法,A N S Y S 软件将有 限元分析技术与优化设计方法相结合从而形成基于有限元 分析的优化设计,只要将工程实际问题转化为优化模型就 可以利用 A N S Y S 软件包完成该问题的优化设计, 从而大大 减少了优化设计的工作时间。 基于 A N S Y S 有限元分析 [ 3]的基本原理利用 A N S Y S 进 行优化设计的基本要素包括设计变量、 目标函数、 约束 条件、 状态变量、 设计序列、 合理和不合理的设计、 分析 文件、 循环、 迭代等。 A N S Y S 程序提供了一系列的分析 评估修正的循环过程, 就是对于初始设计进行分析, 对 分析结果就设计要求进行评估, 然后修正设计, 这一循环 过程重复进行, 直到所有的设计要求都满足为止。 2 装车站钢结构优化设计 采用先进的 A N S Y S 有限元分析技术, 对大型定量装车 站结构进行分析和优化设计研究, 大型定量装车站钢结构 塔架结构复杂, 工作荷载大, 主要由工字钢型材构成, 因 此, 对其进行三维实体建模与有限元分析计算有较大的工 作量和一定的难度;其次是此次有限元分析计算所施加的 工况载荷较多。 通过对大型定量装车站结构进行优化设计, 以检验该多层钢结构在多种载荷工况作用下是否达到刚强 度和稳定性要求, 尤其是该装车站的主框架结构部分, 如 不满足, 则需要对危险部位进行加强;对应力、 变形很小 的部位, 可进行结构减重, 提出可行的改进建议。 因每套 快速定量装车系统所在地区的地震烈度不同、 风雪荷载也 不同, 同时, 所受的胶带、 胶带走廊的荷载也不同,计算 分析存在较大差异。 因此, 每套装车站即要确保钢结构的 刚度、 强度和稳定性等满足要求, 同时又要减轻结构的重 量。 2. 1 装车站钢结构三维实体模型的建立 装车站钢结构主要是由众多的工字钢型材和板壳结构 构成, 有限元工程分析计算 C A E 与单纯的三维实体建模 C A D 有着本质的区别 , 这是因为 C A E和 C A D对几何建 模的要求有很大不同,C A E 计算对模型要求非常严格, 点、 线、 面、 体的建造必须正确无误。 建立有限元模型,通过 定义节点和单元的方式, 直接生成有限元模型, 在形成单 元时, 要注意单元属性 E l e mA t t r i b u t e s 中, 实常数的选择。 建立有限元优化设计模型, 是进行有限元结构优化的 前提与基础。 模型建立的基本原则是既要如实反映结构的 主要特征, 又要尽量降低模型的复杂程度, 以保证优化结 果既有较高的计算精度又能降低计算工作量,以节约优化 计算所需的时间。 使用 A N S Y S 软件对该装车站多层钢结构 进行三维实体建模 如图 1 , 考虑到计算分析的需要, 在 23 2008年第 4期 煤 炭 工 程 设计技术 不影响分析结果的前提下, 对实际工程中的多层钢结构必 须作理论简化处理, 以降低计算量,只考虑其主体结构, 例如不考虑装车站的辅助部件以及工字钢小圆角、 小倒角 等等, 这样将使得结构有限元结点数和单元数目减少许多, 提高计算速度。 图 1 装车站钢结构三维实体模型 2. 2 单元网格的划分 上面建立的三维实体模型仍不能用来直接进行有限元 分析计算, 因为结构的庞大和复杂, 一般的计算机无法完 成这样庞大的分析计算, 所以必须进行进一步的简化。 当 然, 如果使用梁单元、 壳单元对该结构进行有限单元网格 的划分, 可以节省不少计算量, 但对结构的众多接头部位 的应力强度状况无法准确获得, 这些部位往往是应力集中 的地方, 所以必须使用实体单元进行网格划分。 装车站钢结构主要由立柱、 平面梁等钢构件组成的, 立柱、 平面梁主要是采用焊接 H型钢用钢板焊接而成的, 可选择二维板单元与三维体单元混合划分, 或全部使用三 维体单元。 考虑到模型较大, 若使用板单元、 体单元混合 划分, 则 工作量 很大。 因 此, 选 用 A N S Y S单 元库 中的 s o l i d 92单元。 s o l i d 92是有中间节点的四面体实体单元, 用 于仿真 3D实体结构 。 每个节点具有 x 、 y 、 z 位移方向的 3 个自由度。 但由于钢结构件同时受力矩作用, 为此在选择 单元 类 型 后 又 增 加 3 个 转 动 自 由 度 R O T X 、 R O T Y 、 R O T Z , 这样可以较好地描述各钢构件的变形和受力情况, 对复杂的三维实体模型有较好的计算精度。 单元的大小、 多少和疏密程度也非常关键,需要分析人员的经验与正确 的网格单元参数的选择。 采用自由网格方法划分网格。 由于钢构件尺寸较大, 数量多, 如采用智能尺寸控制, 则分网后单元太多,计算 效率很低, 因此采用人工设置网格尺寸大小, 经过认真细 致的单元剖分, 最后整个结构的单元总数为 36万个, 结构 的节点总自由度数为 216万个。 2. 3 几何约束条件、 材料特性 结构的几何约束可确定为四个主立柱和两个附立柱的 下部固定端, 它们的三个自由度均可约束。 材料选用 Q 235-B钢, 其材料参数 [ 4]为 a . 杨氏模量 E200000MP a ; b . 泊松比 μ0.28; c . 密度 ρ7. 810- 6k g /m m 3; d . 抗拉强度 σb375～ 500MP a。 2. 4 基于 A N S Y S 进行分析 在建立了有限单元网格模型, 正确施加了相应工况的 载荷、 边界条件和材料特性, 以及正确选择求解器 P C G 和计算参数以后, 进入优化设计模块指定优化分析文件。 确定设计变量、 状态变量、 目标函数并指定变量的变化范 围, 可以开始进行结构的优化工作。 2. 5 查看优化结果 计算求解完毕后, 经过有限元结果后处理,可以获得 结构的位移变形分布和应力分布等结果数值以及结构的振 动模态图谱。 结构最大位移变换规律曲线如图 2所示, 结 构最大应力的变化规律曲线如图 3所示,结构总重量的变 化规律曲线如图 4所示。 2. 6 优化结果分析 1A N S Y S经 过优化,得到了 较好的 最优解,利用 A N S Y A优化结果非常有效。 24 设计技术 煤 炭 工 程 2008年第 4期 图 4 结构总重量的变化规律曲线 2从图 2、 图 3可看出, 当结构的最大应力还没有达 到应力限值时, 结构的最大位移已经达到了限值, 可知在 优化设计过程中, 位移约束起主要控制作用, 而应力约束 起次要作用。 从图 2、 图 3和图 4可看出装车站钢结构重量 最小的情况下, 最大综合应力值小于强度极限 σb,位移变 形分布如图 2所示, 主要由胶带拉力引起, 因此整个结构 的强度是满足要求的 , 是安全的。 3从图 2、 3和图 4中可以看出 , 在迭代 20次以后, 结构总重量是最终优化结果的 98, 而且已经满足了受力 和变形条件, 结构总重量减轻了 10, 达到了优化设计的 目的。 4根据分析计算优化装车站的结构体系;优选合理的 结构方案;优化装车站结构节点;优化装车站立柱的截面 尺寸;优化装车站平面梁的截面尺寸;优化装车站结构立 柱布置;优化装车站结构斜撑布置。 快速定量装车站钢结 构属多层框架结构体系, 钢结构框架的梁、 柱节点均为铰 接, 并在纵向与横向沿柱高方向设置竖向柱间支撑, 其空 间刚度及抗水平侧向力均由支撑承载, 其优点是设计、 制作及安装方便, 承载功能明确, 侧向刚度较大。 5通过对装车站钢结构优化设计, 在确保钢结构稳 定、 可靠的前提下, 合理地分布载荷, 对称重传感器的称 重精度不会产生影响 。 6通过对装车站钢结构的振动模态分析计算, 可以有 效避免装车站各设备与塔架固有频率相近而引起共振, 保 证了结构的使用寿命和可靠工作。 3 应用情况 快速定量装车站钢结构优化设计已成功应用于神华宁 煤枣泉装车站、 山西晋神沙坪装车站、 神华韩家村装车站、 甘肃黄陵装车站等多套装车站项目, 经在现场工业性运行 和现场检测证明装车站钢结构所有指标均达到设计要求, 均在现场稳定可靠工作。 快速定量装车站成功应用和可靠 稳定工作, 表明我国的煤炭铁路快速定量装车站钢结构优 化设计已比较成熟和完善。 4 结 论 本文首次建立了装车站钢结构优化设计力学分析模型; 建立了一套分析与优化大型快速定量装车站钢结构的软件 平台;采用了先进的优化分析技术, 对大型定量装车站结 构进行力学分析和优化设计。 对装车站结构提出有效的优 化方案, 优选结构较佳方案, 减轻结构的重量,减少材料 消耗, 有效降低成本;通过对装车站钢结构优化设计, 在 确保钢结构稳定、 可靠的前提下 , 合理地分布载荷,对称 重传感器的称重精度不会产生影响, 同时, 也为装车站钢 结构提供了设计的依据, 在降低成本方面和确保装车站可 靠工作方面及快速定量装车站系列新产品的开发将起到较 大的推动作用, 对提高装车站产品的可靠性和经济性起到 积极的指导作用。 因此, 利用 A N S Y S 的优化分析功能进行装车站钢结构 的优化分析是可行而且有效的,其方法简单, 不需要单独 编制结构分析程序, 是有限元分析和优化分析的有机结合, 为结构特别是复杂结构的优化分析提供了新的方法 , 更利 于在装车站钢结构设计中推广和使用。 参考文献 [ 1] 张广军, 席启明, 张新, 刘竞雄.煤矿铁路运输快速定量装 车系统关键技术 [ D ] .煤科总院 50周年院庆科技论文集, 2007. [ 2] 江爱川.结构优化设计[ M] .北京清华大学出版社, 1986. [ 3] 白葳, 喻海良.通用有限元分析 A N S Y S 8. 0基础教程 [ M ] . 北京 清华大学出版社,2004. [ 4] 罗邦富, 魏明钟, 沈祖炎, 陈明辉.钢结构设计手册 [ M] . 北京 中国建筑工业出版社,1989. 责任编辑 章新敏 ▲信息资讯 建设信息▲ 宁夏盐池发现大型煤田资源量近 2亿 t 日前, 宁夏回族自治区国土资源厅透露, 宁夏地质环境监测总站在盐池县惠安堡镇四股泉发现资源量近 2亿 t 的大型 煤田。 四股泉勘察区地质工作程度低, 属煤炭勘察空白区。 经普查, 基本查明勘察区主要可采及局部可采煤层 12层, 煤层最 大厚度达 6. 26m, 煤种主要为 1/3焦煤, 少量肥煤、 气肥煤、 气煤, 可用作炼焦用煤、 动力用煤和民用煤。 据了解, 四股泉勘察区含煤面积约 25k m 2, 初步估算煤炭资源量近 2亿 t , 开发条件良好, 市场前景广阔。 [ 刘 东] 25 2008年第 4期 煤 炭 工 程 设计技术