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寶鋼煉鋼部轉(zhuǎn)爐用430t/80X21.4m鑄造起重機為進(jìn)行扒渣和向轉(zhuǎn)爐兌鐵水等。扒渣機和轉(zhuǎn)爐都位于起重機北端，因此主小車經(jīng)常運行于主梁北端，主梁北端所受剪應(yīng)力也最大。在長期重載作用下，發(fā)現(xiàn)該部位鉛垂方向有100mm多長的焊縫已經(jīng)開裂。為保證正常生產(chǎn)，避免重大事故的發(fā)生，擬對該起重機主梁進(jìn)行強度分析，并預(yù)測其疲勞壽命。由于其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在目前的軟硬件條件下，直接進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的精確有限元分析，進(jìn)而準(zhǔn)確預(yù)測其疲勞壽命有一定的難度。采用的子模型技術(shù)可以實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精確有限元分析，從而為該起重機的正常運行提供可靠的支持和保證。
在有限元分析中往往出現(xiàn)這種情況，即對于用戶關(guān)心的區(qū)域，如應(yīng)力集中區(qū)域，網(wǎng)格太疏不能得到滿意的結(jié)果，而對于這些區(qū)域之外的部分，網(wǎng)格密度已經(jīng)足夠了。可以采取兩種辦法來得到這些區(qū)域較精確的解：①用較細(xì)的網(wǎng)格重新劃分并分析整個模型，②只在關(guān)心的區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格并對其分析。顯而易見，方法①工作量太大，方法②即為子模型技術(shù)。采用子模型法對復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強度分析時可分為兩個步驟：①對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體分析，分析時結(jié)構(gòu)作適當(dāng)簡化，②根據(jù)總體分析結(jié)果，對所關(guān)心的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確細(xì)化分析，得到這些局部結(jié)構(gòu)較為精確的強度的分布結(jié)果。
子模型法進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)強度分析的流程圖。由于交接面的等效位移邊界約束和接觸壓力邊界條件綜合考慮了其它結(jié)構(gòu)的剛度和載荷對細(xì)化分析結(jié)構(gòu)的影響，所以只需對細(xì)化結(jié)構(gòu)本身進(jìn)行分析，可根據(jù)需要采用較細(xì)的網(wǎng)格或精度較高的二次單元，從而得到更加精確的解。該鑄造起重機橋架由兩根主梁、兩根副梁(四梁、四軌)和兩根端梁組成，這些材料為Q235A的結(jié)構(gòu)件通過鋼板焊接和螺栓聯(lián)接裝為一體。它們之間的剛度是互相藕合的。
由于該起重機的結(jié)構(gòu)和負(fù)載均具有對稱性，其計算模型可只取其一半。圖為起重機整體分析時的有限元網(wǎng)格模型圖。經(jīng)有限元計算發(fā)現(xiàn)在起重機靠近北端主、副腹板同端梁內(nèi)板連接處(直角拐彎處)存在應(yīng)力集中，且隨著網(wǎng)格密度的加大而急劇增大。故對此位置進(jìn)行了子模型分析，采用的殼單元子模型和殼單元到體單元的子模型技術(shù)相結(jié)合的方法，得到所示的子模型。
通過比較粗糙模型和子模型在切割邊界的路徑圖，可看出選擇的切割邊界是合適的。圖中為板單元子模型和三維實體單元子模型的剪應(yīng)力分布圖，從圖中可以看出，兩者的剪應(yīng)力分布基本吻合。此時板單元子模型的網(wǎng)格長度為34mm，板厚度為25mm。圖中網(wǎng)格長度為17mm，小于板厚25mm，此時剪應(yīng)力分布錯位，結(jié)果不正確。因此，在板單元模型網(wǎng)格劃分中，網(wǎng)格密度必須控制，而且，網(wǎng)格的長度應(yīng)大于板單元的厚度。將有限元計算結(jié)果和現(xiàn)場測試結(jié)果列于表。將主梁測點應(yīng)力的實測值與有限元計算值進(jìn)行了比較，其相對誤差為1.4%-4.2%，表明有限元計算值與實測值相符。
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