风压作用下气候实验室超大型门体强度分析

雷 凯，王彬文，任战鹏，吴敬涛

(中国飞机强度研究所,陕西 西安 710065)

0 引言

我国目前建成最大的气候环境实验室净尺寸达到60 m×72 m×22 m,可以实现低温、高温、温度-湿度、淋雨、吹风、冻雨/积冰试验、降雪、降雾、太阳辐照等气候的模拟。气候实验室试验对象主要针对整架飞机,通常将飞机固定在气候实验室地面,考核在各类极端气候环境下的适应性。在实验室气候试验中,大门系统是各种试验件和实验设备安全进出气候实验室的主要途径。飞机具有较大的翼展,其中我国C919型号民机的翼展达到35.8 m,美国C-5军用运输机翼展达到67.8 m。为了保证气候实验室能更多的满足我国现役及未来型号飞机气候试验中的尺寸要求,减少由于门体限制带来的试验空间浪费,因此要求门体实现的开口尺寸应不小于实验室在该方向的净尺寸。针对该超大型门体结构,GB 50009—2001建筑结构荷载规范中规定[1],应考虑风荷载的体型系数、风压高度变化系数、阵风系数,同时要考虑局部风压体形系数等对大门结构的影响,保证门体刚度、强度和稳定性。此外,气候实验室模拟的温度范围为-55 ℃～+74 ℃,并在极端温度下保温时间通常超过24 h,因此大门系统对实验室运行的经济性以及模拟的气候环境的稳定性方面发挥着巨大作用。为了保证大门系统具备良好的密封保温性能,需要门体结构变形更小来避免大门与建筑四周、门扇之间出现缝隙,对门体的设计提出了更高的要求。

针对气候实验室超大型门体,通常要求其保温性能和结构强度满足设计要求。在保温性能研究方面,文献[2]提出了变轨运行,单轨排布的门体布局设计以及双重充气密封结构设计方法,解决高/低温环境下实验室大门的保温与密封问题。在结构强度研究方面,由于该门体和飞机机库大门在外形、承载等方面较为相似,可以借鉴机库大门的强度研究方法进行分析。目前开展的研究包括:陈旭华等[3]通过有限元分析方法对风载作用下的变形和应力进行分析,验证了结构强度。姜宏志[4]采用工程算法对大门主结构龙骨、下承重轨道和行走轮的强度进行分析。孙生环等[5]采用ANSYS有限元软件先对柔性机库大门横梁结构进行三维建模,验证了其强度。郭鹏等[6]通过有限元方法对北京A380机库大门桁架进行了降高度分析,提出了超大跨度机库屋盖大门桁架优化设计方案。在大门施工技术方面,池敏华[7]研究了大型钢结构机库大门现场安装施工流程。纪晓鹏等[8]研究了A330机库大门的施工方法。此外,针对大型试验厂房的门体强度分析,张安等[9]设计了轻钢结构大门骨架结构,并给出了施工方案。

可以看出,针对大型门体结构强度分析及施工开展了大量的研究工作,在载荷分析中主要采用建模仿真及工程算法。本文针对气候实验室超过70 m的开口,采用4扇门体组合方式设计了大门系统,针对单个门体的结构强度,基于GB 50009—2001建筑结构荷载规范相关要求,通过有限元仿真方法对门体结构刚度、强度、稳定性和吊装方案中的受力形式进行分析,并验证了大门地轨系统承载能力。本研究可以为大型门体结构耐风压强度设计提供参考。

1 气候实验室门体结构总体设计

实验室洞口尺寸为78 m(宽)×22 m(高),大门系统由4个门扇组成,如图1所示。单个门体尺寸为20 m(宽)×24 m(高),均可独立运动,大门立柱为大门全高,底部有受力横梁,宽度为整扇门宽。主框架构件材质采用Q235-B钢材,由不同形状截面的钢型梁组焊而成,截面主要有7类,如图2所示。表1给出了7类截面具体形式,其中,门扇四周骨架采用H型钢,材料为Q235C,门扇充分应用斜拉,防止自重引起下沉,对角斜拉材料采用厚8 mm直径为219 mm圆形钢管。大门采用优质承重地轨承受重力和风荷载,通过两条轨道实现开启/关闭,轨道采用QU120重轨,型号为U71Mn,地轨安装于深度约为1 m的地坑内。

2 大型门体强度仿真分析

2.1 门体结构承载计算

大门承受的主要荷载为风荷载及自重荷载,根据GB 50009—2001建筑结构荷载规范,风载荷按照式(1)进行计算。

Wk=βgzμsμzWo

(1)

其中,Wk为风载荷标准值,kN/m2;βgz为阵风系数;μs为风载荷体型系数;μz为风压高度变化系数;Wo为基本风压,依据按全国基本风压图,选取西安50年一遇的风压,该值为350 N/m2。

大门所在地区地面粗糙度类别为B类,依据标准中给出的参考值,该大门风载计算中相关系数的选取如表2所示。

表2 气候实验室门体结构风载计算相关参数选取

大门迎风面最大距地面高度为22 m,通过对表1中数据进行拟合得到风载计算相关参数和距地面高度的多项式函数关系式,如图3所示(阶数取3)。

采用插值法得到22 m高的阵风系数βgz和风压高度变化系数μz分别为1.678和1.311。在大门风载计算中,将大门按照距地面高度的范围划分为5个区域,分别为0 m～5 m,5 m～10 m,10 m～15 m,15 m～20 m,20 m～22 m,各区域内按照高度上限选取各系数的值以增加大门安全系数,计算得到大门承受的最大风载。

2.2 门体结构刚度和强度分析

大门门扇内侧采用冷库板以满足保温要求,从里向外分别为200 mm聚氨酯冷库板,200 mm聚氨酯发泡板,最外侧为50 mm聚氨酯墙面板。其中,门板之间采用内挂钩形式连接。为了模拟保温材料自重对大门承载的影响,将保温材料的自重以集中力载荷方式均布在钢结构挂钩上。通过有限元分析软件space gass建立单个门扇钢结构的数值模型如图4所示。

将钢结构自重载荷和风压载荷以及保温材料重力载荷施加到模型中,边界条件采用上下部简支,得到大门钢架结构的应力和变形如图5所示,最大变形区域的局部变形数据如图6所示。得到门体结构最大MISES应力为127 MPa,沿厚度最大变形为53 mm。

GB 50017—2017钢结构设计规范附录B“结构或构件的变形容许值”相关规定,Q235钢的屈服强度为225 MPa,高于门体钢结构的最大应力,安全系数达到1.77。墙架构件在风载荷未考虑阵风系数的情况下,挠度容许值按照式(2)进行计算。

[vQ]=l/400

(2)

其中,[vQ]为挠度容许值;l为受弯构件的跨度,其值为24 000 mm。得到挠度容许值为60 mm。当阵风系数设置为1时,得到门体结构在最大组合载荷下沿厚度最大变形为30.81 mm。为了保证门体的密封保温性能,设计要求结构变形比标准要求提高1.5倍,该大门结构在变形容许值中的安全系数达到1.95,满足设计要求。

通过上述分析可知门体钢架结构刚度和强度满足设计要求。

2.3 门体结构稳定性分析

由于框架柱因与横梁等其他构件在上下节点处相连接,一根柱子的失稳必然带动相邻构件的变形,因此有关框架柱的稳定问题就必须把整个框架作为研究对象,而不是单独拿出一根柱子来考虑。在稳定性分析中,考虑风荷载和门体自重及外装饰板等的重量,计算采用全过程跟踪方法对门体结构的整体稳定性进行分析,得到安全系数为11.6。本大门在稳定性设计中,要求安全系数不低于5,因此该结构稳定性满足设计要求。

2.4 门体吊装强度分析

该门体主要通过吊装方式实现在气候实验室的安装,吊装主要方案为:

1)采用两辆伸缩起重机进行双起重机提升,并将一辆起重机停在底梁处,用于在提升过程中为门底部提供额外的支持。

2)将特殊设计的起重梁提升至门扇处,并在门长2/3处通过螺栓将其连接在门扇上,使用“D”型挂钩和链条将起重梁直接连接在起重机臂上。

3)使用起重机将门扇移动到升降位置处。当将门扇放置于指定位置,从而使起重梁正对相应的底部轨道。开始实际主起重程序。

4)向两辆起重机司机发出指令,缓慢并匀速地提升,确保钢制材料不会发生严重的扭转。当门扇被升起时,将门底部滚至机库开口处。底部的起重机将移动门扇,确保一直对底梁给予支持。

5)将顶部牵引滑轮和保护架引导入其相应的轨道内。当门达到其垂直位置时,底部起重机将其松开,以确保其垂直悬挂。两辆主起重机将门降低,放在底部轨道上,并逐步松开,使门扇自由站立。

图7为门体吊装过程示意图,为检查吊装方案是否正常,先将大门框架吊离地面100 mm～200 mm,停留一段时间并检查门框重心是否合适,拖拉绳是否受力。本文对该过程的受力进行仿真分析,保证吊装时变形和应力满足设计要求。

吊装过程中主要受到重力载荷,由拖拉绳在设计吊点承受相应的支反力,其中单个门体自重为50 t。建立吊装过程的受力分析有限元仿真模型,得到变形结果如图8所示。得到钢结构最大Mises应力为42 MPa,小于材料的屈服强度215 MPa;最大变形为20 mm,小于设计要求的60 mm。此外,起吊钢丝绳受到的最大拉力为180 kN,小于其需用拉力1 740 kN,安全系数达到9.7,满足具有6倍以上安全系数的设计要求。

3 地轨系统强度仿真分析

3.1 地轨轨道强度分析

地轨采用U71Mn钢,材料属性如表3所示。选取地轨截面进行应力分析,建立有限元模型得到载荷作用下的应力分布如图9所示。可以看出,最大Mises应力为263 MPa,变形为0.3 mm,满足结构强度和刚度要求。

表3 地轨用钢材料属性

3.2 行走轮强度分析

每个门扇在底部有2个安装在圆锥辊子轴承上的重型600 mm直径双翼缘钢质轨道轮子支撑,大门自重为50 t,得到单个轮压为25 000 kg。轮子用淬火硬化的含碳0.45%钢(欧洲等级080 M40)。行走轮最大挤压应力计算公式如式(3)所示,其强度应满足式(4)。

(3)

其中,Nc为轮压,其值为25 000 kg;b为轨道宽度,其值为80 cm;D为行走轮直径,其值为60 cm。计算得到式(4),可以看出满足强度要求。

σmax=5 103 kg/cm2<[σj]1=6 500 kg/cm2

(4)

行走轮踏面疲劳强度应满足式(5)。

Pc≤[Pc]=K1DLC1C2

(5)

其中,Pc为踏面疲劳载荷,其值为25 000 kg;[Pc]为许用应力;K1为应力常数,根据机械设计手册,其值为5.6;D为行走轮直径,其值为600 mm;L为接触长度,其值为80 cm;C1为转速系数,其值为1.17;C2为工作级别系数,其值为1。通过式(6)可知,踏面疲劳载荷小于许用载荷,其强度满足设计要求。

Pc=250 000 N≤[Pc]=
5.6×600×80×1.17×1=314 496 N

(6)

4 结论

本文以我国最大的气候实验室大门系统为研究对象,通过有限元软件space gass建立其钢架结构强度分析仿真模型,并通过工程算法验证地轨组成结构的强度。研究表明:大门钢架结构刚度、强度和稳定性满足要求,可以承受所在地区50年一遇的风压载荷;吊装方案中钢绳索安全系数大于6,满足承载能力要求;地轨钢截面、行走轮设计符合强度要求。