混凝土攪拌站主樓失效分析與輕量化優(yōu)化設(shè)計

郭政東

(中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北 唐山 064000)

0 引言

混凝土攪拌站安全性、可靠性及經(jīng)濟性越來越受到重視[1]，攪拌站主樓質(zhì)量在整機質(zhì)量中的占比較大，約為 45%，承載相對較大，受力復雜，易發(fā)生應力集中現(xiàn)象[2]，需重點關(guān)注。趙順[3]和張偉超[4]基于靜態(tài)、動態(tài)性能及可靠性對攪拌站主樓設(shè)計進行了分析；高虎[5]利用ANSYS軟件對攪拌站機械結(jié)構(gòu)進行了分析，并根據(jù)分析結(jié)果對結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化；吳慶勇等[6]在對攪拌站支腿結(jié)構(gòu)進行仿真分析的基礎(chǔ)上，針對薄弱點進行了設(shè)計改進；劉鵬等[7]、羅剛等[8]、鐘祺等[9]利用有限元方法對排樁支護、通風系統(tǒng)、橋梁等進行了設(shè)計優(yōu)化，取得較好的效果。

本文針對某混凝土攪拌站主樓支腿局部失效開裂問題及結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化設(shè)計需求，利用ABAQUS軟件進行強度計算和約束狀態(tài)下的模態(tài)分析，研究主樓及關(guān)鍵連接件在極限荷載工況下的受力狀態(tài)，評估主樓在攪拌動態(tài)激振力作用下的共振風險。在此基礎(chǔ)上對主樓開展優(yōu)化設(shè)計，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，解決了支腿開裂問題，并實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)輕量化目標，主樓可靠性和經(jīng)濟性得到提升。

1 主樓概況

某攪拌站主樓框架為鋼結(jié)構(gòu)，自上而下分別為計量層、樓梯及護欄、攪拌層、支腿，如圖1所示，其中，計量層是支撐水泥、摻合料、液體添加劑和水計量系統(tǒng)及過渡料倉的樓層，樓梯及護欄是計量層與攪拌層的通道，攪拌層是支撐攪拌主機和相關(guān)機構(gòu)的樓層，主樓及設(shè)備由底部支腿支撐。據(jù)設(shè)計人員反饋，該攪拌站主樓質(zhì)量超過設(shè)計目標，影響產(chǎn)品經(jīng)濟性，存在輕量化優(yōu)化設(shè)計需求，且現(xiàn)場運營過程中，主樓斜撐吊耳附近的支腿存在開裂現(xiàn)象，嚴重危害結(jié)構(gòu)可靠性。

圖1 主樓示意

2 有限元模型建立

利用有限元軟件ABAQUS建立主樓計算模型，如圖2所示，結(jié)構(gòu)主體采用四邊形殼體單元模擬，固定支座、支架采用實體單元模擬，滑塊與臂架接觸局部采用實體單元模擬，銷軸采用梁單元模擬，油缸采用桿單元模擬。對開裂部位應力敏感區(qū)域網(wǎng)格進行細分，最小網(wǎng)格尺寸為2mm。根據(jù)文獻[10]，風荷載對主樓強度的影響有限，計算工況主要考慮結(jié)構(gòu)、設(shè)備可能的極限質(zhì)量。攪拌主機質(zhì)量M1=21.8t，接料斗質(zhì)量M2=10t，均利用質(zhì)量單元近似替代，并通過自由度耦合與安裝位置進行固定，螺栓等關(guān)鍵裝配位置采用接觸方式模擬，在支腿底部設(shè)置固定約束。通過施加全局重力加速度模擬主樓及設(shè)備自重，并考慮1.2倍動荷載系數(shù)。

圖2 主樓有限元模型

3 計算結(jié)果與分析

3.1 主樓變形

極限荷載工況下主樓變形云圖如圖3所示。由圖3可知，主樓變形主要出現(xiàn)在計量層和攪拌層，其中計量層承載梁最大變形約為11.5mm，攪拌層承載梁最大變形約為8.1mm，可知主樓整體變形較小。

圖3 主樓變形云圖(單位：mm)

3.2 主樓應力

極限荷載工況下主樓應力云圖如圖4所示。由圖4可知，主樓最大應力為778MPa，位于底部支腿斜撐吊耳安裝螺桿上。由于螺桿采用梁單元模擬，計算結(jié)果偏大，且主樓最大應力小于螺栓屈服應力(900MPa)，為進一步分析支腿斜撐吊耳附近結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，隱去螺栓，得到斜撐吊耳附近結(jié)構(gòu)應力云圖，如圖5所示。由圖5可知，最大應力為517.029MPa，位于螺栓墊片上，其中吊耳底部與支腿連接位置存在應力較大(>200MPa)區(qū)域，該區(qū)域與現(xiàn)場裂紋位置一致，說明該處結(jié)構(gòu)強度不滿足設(shè)計要求，易導致支腿失效。

圖4 主樓應力云圖(單位：MPa)

圖5 支腿斜撐吊耳附近應力云圖(單位：MPa)

3.3 主樓模態(tài)

混凝土攪拌過程中，攪拌電機帶動攪拌系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)完成攪拌作業(yè)。攪拌電機及攪拌軸在轉(zhuǎn)動過程中，由于動力不平衡產(chǎn)生簡諧荷載，形成結(jié)構(gòu)激振力。攪拌站主樓固有頻率(自振頻率)通常較低，當旋轉(zhuǎn)機械產(chǎn)生的簡諧激振力頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率重疊時，易誘發(fā)結(jié)構(gòu)共振，導致結(jié)構(gòu)破壞等嚴重后果。本攪拌站傳動系統(tǒng)由攪拌電機、連軸器、減速箱、攪拌軸等組成，攪拌電機輸入轉(zhuǎn)速為1 450r/min，經(jīng)減速箱減速后，攪拌軸輸出轉(zhuǎn)速為24.3r/min。由動力不平衡產(chǎn)生的激振力頻率包括24.16，0.405Hz，是主要激振力；變速箱傳動異常產(chǎn)生的激振力較小，其對主樓振動的影響有限。

為評估攪拌系統(tǒng)運行過程中主樓共振情況，進行模態(tài)計算，得到主樓前六階模態(tài)頻率分別為1.8，2.8，3.2，4.5，6.2，6.6Hz，可知主樓在約束狀態(tài)下前六階模態(tài)頻率較低。前六階模態(tài)振型如圖6所示，由圖6可知，前四階表現(xiàn)為主樓整體模態(tài)，第五階表現(xiàn)為攪拌層模態(tài)，第六階表現(xiàn)為計量層模態(tài)。主樓低階固有模態(tài)頻率均避開了主要激振頻率，攪拌電機及攪拌軸轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的簡諧激振力誘發(fā)主樓共振的風險較小。

圖6 主樓前六階模態(tài)振型

4 優(yōu)化設(shè)計

4.1 支腿斜撐局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

主樓底部支腿斜撐吊耳附近結(jié)構(gòu)薄弱，局部應力超過材料屈服強度是導致開裂的主要原因。由于主樓受力主要通過斜撐傳至支腿，易導致支腿與吊耳底部焊接位置出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。為此，針對該處結(jié)構(gòu)薄弱點進行局部優(yōu)化，在支腿外部包裹1層300mm高、200mm寬鋼板，將支腿局部結(jié)構(gòu)厚度分別取為8，12，16，20mm。螺栓墊片、支腿開裂處最大應力如圖7所示，由圖7可知，增大支腿局部結(jié)構(gòu)厚度對螺栓墊片最大應力的影響較小，但可顯著改善支腿開裂處受力狀態(tài)。因此，在支腿外部包裹1層300mm高、8mm厚、200mm寬鋼板進行強化，此時支腿局部結(jié)構(gòu)厚度由12mm增至20mm，對應的斜撐吊耳附近結(jié)構(gòu)應力云圖如圖8所示。由圖8可知，支腿局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，螺栓墊片最大應力雖由517.029MPa增至534.6MPa，但支腿開裂處應力顯著降低，未出現(xiàn)應力較大(>200MPa)區(qū)域，滿足設(shè)計要求。

圖7 最大應力

圖8 支腿局部強化后斜撐吊耳附近結(jié)構(gòu)應力云圖(單位：MPa)

4.2 參數(shù)優(yōu)化

設(shè)計變量、目標函數(shù)和約束條件是優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型基本要素，大部分優(yōu)化問題可視為通過修改設(shè)計變量求解目標函數(shù)的極值問題。因此，建立數(shù)學模型時，一般將目標函數(shù)的求解表示為求極大值或極小值。

利用多學科參數(shù)優(yōu)化軟件Isight建立主樓參數(shù)優(yōu)化數(shù)學模型，根據(jù)主樓特點將主要框架結(jié)構(gòu)分為5組，即將優(yōu)化設(shè)計變量板厚分為X1～X5組，變量邊界值如表1所示，以支腿局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化后螺栓墊片最大應力534MPa作為約束條件，以主樓質(zhì)量最小化作為目標函數(shù)，對主樓進行參數(shù)優(yōu)化分析。

表1 優(yōu)化設(shè)計變量邊界值 mm

利用軟件自帶的多島遺傳算法進行試驗設(shè)計，完成60組設(shè)計樣本計算，通過后處理計算得到各設(shè)計變量對主樓質(zhì)量和螺栓墊片最大應力的貢獻率，如表2所示。由表2可知，設(shè)計變量X1對主樓質(zhì)量和螺栓墊片最大應力的貢獻率最大，設(shè)計變量X3貢獻率最小。

表2 設(shè)計變量貢獻率 %

基于60組設(shè)計樣本計算結(jié)果，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)RBM模型構(gòu)建主樓優(yōu)化高精度快速預測模型。計算螺栓墊片最大應力時，預測模型與計算模型相關(guān)關(guān)系曲線如圖9所示，相關(guān)系數(shù)為0.926，表明預測模型與計算模型高度相關(guān)，預測模型可用于主樓設(shè)計優(yōu)化。

圖9 預測模型與計算模型相關(guān)關(guān)系曲線

利用預測模型計算得到參數(shù)優(yōu)化方案，X1～X5組板厚由原方案的8，5，8，8，8mm分別變?yōu)閮?yōu)化后的6，2，4.5，9，4mm；主樓質(zhì)量由原方案的3.53t降至優(yōu)化后的2.3t，降幅達34.8%，表明結(jié)構(gòu)輕量化效果明顯；螺栓墊片最大應力由原方案的534MPa降至優(yōu)化后的512MPa。

利用預測模型計算得到支腿斜撐吊耳附近應力云圖(隱去螺栓)，如圖10所示。由圖10可知，優(yōu)化后的螺栓墊片最大應力降至512MPa，支腿開裂處應力降至100MPa左右，表明結(jié)構(gòu)受力得到優(yōu)化，滿足設(shè)計要求。

圖10 預測模型計算得到的支腿斜撐吊耳附近應力云圖(單位：MPa)

利用預測模型計算得到主樓前六階模態(tài)頻率由原方案的1.8，2.8，3.2，4.5，6.2，6.6Hz降至優(yōu)化后的1.7，2.6，3.0，4.2，5.8，6.2Hz，降幅雖較小，但避開了主要激振頻率，發(fā)生共振的風險較小。

5 結(jié)語

本文針對攪拌站主樓局部結(jié)構(gòu)失效開裂問題及結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化設(shè)計需求，通過有限元分析及優(yōu)化分析，得出以下結(jié)論。

1)主樓支腿與斜撐連接區(qū)域在極限荷載工況下的應力超過材料屈服強度，是導致該處出現(xiàn)失效開裂的主要原因。

2)在攪拌系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)機械產(chǎn)生的簡諧激振力作用下，主樓產(chǎn)生共振的風險較小。

3)通過對主樓支腿裂紋附近局部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，顯著降低支腿開裂處應力，滿足設(shè)計要求。

4)在局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對主樓框架結(jié)構(gòu)進行參數(shù)優(yōu)化，通過構(gòu)建高精度快速預測模型，得到主樓框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，可在改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)且不影響結(jié)構(gòu)剛度的情況下，實現(xiàn)34.8%的結(jié)構(gòu)輕量化目標。