辐流沉淀池φ100m周边驱动刮泥机钢结构桁架有限元分析

一、概述

沉淀是给水和排水工艺流程中的重要环节之一,辐流 沉淀池直径100m周边驱动刮泥机是专门用于沉淀池的排 泥设备,它主要由中心部分、钢结构桁架、刮板、网格反应格 栅、走道、传动小车、轨道等七大部分所组成(详见图1)。

钢结构桁架设计的是否合理、受力是否安全,是此设备的设计关键之一。

本项目受中国重型机械总公司委托,对辐流沉淀池 φ100m周边驱动刮泥机的钢结构桁架部分进行钢结构内力 强度和稳定性分析。

二、计算方法及使用程序简介

此桁架钢结构内力分析采用有限元分析方法,使用中 国力学学会计算力学学会推荐的微型机辅助结构设计程序 MAS(Microcomputer Analysis System)5.0版。 MAS程序系统的结构分析采用基于变分、插值和变分 原理为基础的有限元法,具有结构静力分析、动力分析、多 种响应分析、非线性弹塑性分析、稳定性分析和温度场分析 等功能。在MAS程序系统中,配备有二维和三维桁架单元、 二维和三维梁单元、平面元、弯曲板元、壳单元和块体单元 等类型,可应用于各类结构的计算分析。整个计算分析过 程如下框图(图2)所示。

三、力学模型的建立

1.视钢结构桁架为空间桁架结构

桁架钢结构计算传统上是把结构视为空间桁架 结构(各节点视为铰接点),各杆件只承受轴力。此 时结构上的节点有奇点存在。如图3所示,节点A 在Z方向上不允许作用外荷载,是奇异方向,这些点 是奇点。在有限元计算中可以用如下方法来处理奇 点:在奇点沿奇异方向上加弹性约束,这样有一个约 束刚度的取值问题;此结构有多处奇点,处理好奇点 问题有一定的困难。

2.视钢结构桁架为空间刚架结构

空间刚架结构的单元为梁单元,梁单元除了承 受轴向力外还承受剪力、弯矩和扭矩。由于参量多, 给数据处理带来一定的困难。

3.视钢结构桁架为空间桁架—梁混合单元结构

    把实际结构的节点视作刚性节点比视作铰接点更符合 真实情况。此时杆件不但承受轴向力还受到附加弯矩的作 用,因而引起附加弯矩应力。这种附加弯矩应力的大小取 决于杆件的刚度,刚度越大,则这种附加弯矩应力也越大, 反之则越小。鉴于上弦杆、下弦杆刚度较大,腹杆刚度较小, 因此在计算中把上弦杆、下弦杆看成梁单元而腹杆看成只 承受轴向力的桁架单元,这不仅是合理的,也给数据处理带 来很大方便。根据结构的几何形状,由几何不变体系的三 角形组成规律可知,桁架的上弦杆、下弦杆、桁架正面垂直 腹杆、桁架背面垂直腹杆、桁架上部垂腹杆和桁架下部垂直 腹杆均应模拟为三维梁单元;而桁架各面的斜腹杆、支撑桁 架正、背面的内腹杆,支撑桁架上部面、下部面的内腹杆,均 应模拟为三维桁架单元。本结构的力学模型就是采用空间 桁架—梁混合单元的混合结构,共231个节点;腹杆视作桁 架单元,共339个;其余梁单元共310个(详见图4) 桁架钢结构刮臂承受刮泥阻力和桁架、刮板、网格反应