預(yù)制混凝土管作柱身外模

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混凝土床身的有限元分析研究

混凝土床身的有限元分析研究本文為減輕機(jī)床重量，降低機(jī)床本金，將鑄鐵床身改為混凝土床身布局。對(duì)混凝土床身舉行受力分析和有限元分析，對(duì)床身薄弱環(huán)節(jié)舉行合理的加筋處理，再舉行有限元分析，得到得志機(jī)床切削要求和機(jī)械性能的混凝土床身。

一、機(jī)床簡(jiǎn)介1.床身受載處境為減輕機(jī)床重量，降低機(jī)床本金，將鑄鐵床身改為混凝土床身布局，安裝直線導(dǎo)軌或鑲鋼導(dǎo)軌。為保證強(qiáng)度，得志機(jī)床的機(jī)械性能和車(chē)削要求，需要對(duì)混凝土床身舉行有限元分析，找出薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)薄弱環(huán)節(jié)舉行特殊處理。圖1為機(jī)床主要部件分布圖，機(jī)床床身受力處境分析如圖2床身受載圖所示，床身主要受力分為兩片面：一片面是受到主軸箱和尾座以及工件重力作用；

另一片面切削時(shí)切削反力通過(guò)刀架對(duì)床身的作用。其中主軸箱和尾座因與床身直接接觸，其重力直接作用于自身所處位置的床身導(dǎo)軌上，其中主軸箱重力為20000N，尾座重力為9000N；

工件重力分別由主軸箱卡盤(pán)和尾座承受，將其均分，即主軸箱和尾座各承受1/2的重力，即3000N，該力間接作用于床身；

切削反力直接作用于刀架，為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，將切削力分解為水平方向切削力和垂直向下的壓力。

2.影響床身受載的主要參數(shù)（1）主軸轉(zhuǎn)速范圍：3～300rpm；

（2）主軸最大扭矩：12KN·m；

（3）最在承重工件重量：6t；

（4）刀架最大切削力：4.5t，按兩個(gè)方向的力舉行分解。3主要部件材料信息機(jī)床主軸箱、尾座以及刀架均為鑄鐵，材料為Q345B，fy=345MPa，泊松比為0.3，其余筋板材料均為Q235B，fy=235MPa，泊松比為0.3，彈性模量E=206000MPa。考慮到該工程中要求布局件在工作狀態(tài)中處于彈性狀態(tài)，因此計(jì)算時(shí)鑄鐵材料本構(gòu)關(guān)系選取雙折線隨動(dòng)強(qiáng)化模型，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分為彈性階段和塑性階段，塑性段的斜率取為初始彈性模量的0.01倍，即0.01E=2060MPa。

應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型如圖3所示。

對(duì)于床身混凝土強(qiáng)度等級(jí)按C30選取（注：C30的配比參考方案，水：175kg，泥：461kg，砂：512kg，石子：1252kg，合作比為0.38∶1∶1.11∶2.72）。

其應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)模型按照《混凝土布局設(shè)計(jì)模范（GB50017-2022）》中給出的本構(gòu)模型選取，概括材料本構(gòu)關(guān)系如下。（1）受壓骨架線，受壓骨架線計(jì)算公式如式（1）所示，示意圖如圖4所示?；炷羻屋S受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線的參數(shù)取值如表1所示。

（1）式中：αc—混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段參數(shù)值，按表1取用；

fc,r—混凝土單軸抗壓強(qiáng)度代表值，其值可根據(jù)實(shí)際布局分析的需要分別取fc、fck或fcm；

εc,r—與單軸抗壓強(qiáng)度f(wàn)c,r相應(yīng)的混凝土峰值壓應(yīng)變；

dc—混凝土單軸受壓損傷演化參數(shù)。（2）受拉骨架線，受拉骨架線計(jì)算公式如式（2）所示，如圖4混凝土模型示意圖所示。

混凝土單軸受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線的參數(shù)取值如表2所示。

（2）式中αt—混凝土單軸受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段參數(shù)值，按表2取用；

ft,r—混凝土單軸抗拉強(qiáng)度代表值，其值可根據(jù)實(shí)際布局分析的需要分別取ft、ftk或ftm；

εt,r—與單軸抗壓強(qiáng)度f(wàn)t,r相應(yīng)的混凝土峰值壓應(yīng)變；

dt—混凝土單軸受拉損傷演化參數(shù)。表2混凝土單軸受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線的參數(shù)取值fc,r（N/mm2）1.01.52.02.53.03.54.0εc,r（10-6）658195107118128137αc0.310.701.251.952.813.825.00圖4混凝土模型示意圖二、床身有限元分析1、ABAQUS有限元建模ABAQUS是功能強(qiáng)大的有限元軟件，可以分析繁雜的固體力學(xué)和布局力學(xué)系統(tǒng)，模擬分外浩瀚繁雜的模型，處理高度非線性問(wèn)題。

ABAQUS不但可以做單一零件的力學(xué)和多物理場(chǎng)的分析，同時(shí)還可以完成系統(tǒng)的分析和研究。由于ABAQUS強(qiáng)大的分析才能和模擬繁雜系統(tǒng)的穩(wěn)當(dāng)性，它在各國(guó)的工業(yè)和研究中得到廣泛的應(yīng)用，在大量的高科技產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中發(fā)揮這巨大的作用。根據(jù)機(jī)床的裝置特征，該裝置總體包括四個(gè)主要部件：

主軸箱、刀架、尾座以及床身，在ABAQUS中，全體部件均采用三維實(shí)體單元C3D8建模，可以真實(shí)的模型整個(gè)布局和局部子構(gòu)件的受力性能，包括應(yīng)力、應(yīng)變以及位移等狀態(tài)，可以直觀的反映布局的薄弱環(huán)節(jié)，為實(shí)際加固改造供給方案。

2、床身為素混凝土材料下的有限元分析（1）Mises應(yīng)力分析。圖5混凝土Mises應(yīng)力云圖給出了整個(gè)機(jī)床的受力Mises應(yīng)力云紋圖，其中（a）為整體Mises應(yīng)力云圖，（b）為混凝土床身受力云圖。由圖5（a）可以看出，在中間的刀架上由于存在一向外的水平力，使得該處發(fā)生應(yīng)力集中，最大應(yīng)力值為16.2MPa，其余各片面應(yīng)力相對(duì)較小。圖5（b）為混凝土床身的應(yīng)力分布示意，可以看出，混凝土床身最大應(yīng)力為刀架和混凝土的接觸面處，其值約為2.43MPa，該處混凝土發(fā)生壓碎現(xiàn)象，其余部位混凝土應(yīng)力相對(duì)較小。（a）整體Mises應(yīng)力云圖（b）混凝土床身Mises應(yīng)力云圖圖5混凝土Mises應(yīng)力云圖為了分析當(dāng)床身為混凝土?xí)r，機(jī)床床身在外荷載作用下的最擔(dān)心全（最輕易破壞）部位，有必要對(duì)每個(gè)應(yīng)力分量舉行計(jì)算。圖6混凝土Mises應(yīng)力分量云圖所示為混凝土床身Mises應(yīng)力分量計(jì)算結(jié)果，其中（a）為沿著X方向的應(yīng)力分量，（b）為沿著Y方向的應(yīng)力分量?？梢钥闯觯谒搅Φ淖饔孟?，使得刀架下部混凝土受力不均勻，載荷作用端為受壓狀態(tài)，而遠(yuǎn)端為受拉狀態(tài)，而混凝土工作中根本不考慮其受拉作用，由于該類(lèi)材料一旦受到拉應(yīng)力，立刻開(kāi)裂，而且裂縫會(huì)進(jìn)展直至貫串整個(gè)截面。由圖6（a）應(yīng)力云圖可以看出，其沿著X方向的S11=1.38MPa，圖中紅色部位將產(chǎn)生沿著床身長(zhǎng)邊方向的橫向裂縫，這在布局中是擔(dān)心全的，應(yīng)舉行加固處理。同樣由圖6（b）可以看出，紅色區(qū)域存在Y方向的應(yīng)力分量，其值約為1.44MPa，超過(guò)了我國(guó)混凝土模范中混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，因此，對(duì)該部分應(yīng)舉行加筋處理，使其在上述荷載作用下得志相應(yīng)的模范要求和使用要求。

（2）變形分析。圖7所示為混凝土床身的變形云圖，可以看出由于混凝土材料具有良好的受壓承載力，混凝土的變形很小。圖7中紅色區(qū)域是由于水平分力產(chǎn)生的俯沖變形，由于混凝土為脆性材料，因此易被壓碎。

圖7混凝土床身變形云圖三、對(duì)混凝土床身舉行加筋處理1、加筋方案由上文分析可知，當(dāng)床身為素混凝土?xí)r，刀架底部床身混凝土邊緣易發(fā)生壓碎破壞。為了保證機(jī)床的正常工作，務(wù)必對(duì)混凝土床身舉行加筋處理?，F(xiàn)根據(jù)床身的特征和受力處境，舉行以下三個(gè)方面的加筋處理，以保證機(jī)床床身的性能要求。（1）對(duì)混凝土床身設(shè)置鋼筋籠，包括四角的受力縱筋和箍筋，其中四根受力鋼筋采用二級(jí)帶螺紋鋼筋，直徑為18mm，箍筋采用一級(jí)光圓鋼筋，直徑為8mm，沿著混凝土長(zhǎng)邊方向間距為200mm。（2）在主軸箱和尾座與混凝土床身上的接觸外觀層設(shè)置一層鋼筋網(wǎng)片，鋼筋采用一級(jí)光圓鋼筋，直徑為8mm，橫向間距為120mm，縱向間距為200mm。

（3）為了將刀架的水平切削力傳力到整個(gè)混凝土床身，制止刀架所接觸的混凝土床身被壓碎，在刀架行程范圍的混凝土床身上設(shè)置四根通長(zhǎng)的預(yù)埋件，其直徑為為28mm，并且沿著高度方向設(shè)置3道箍筋舉行約束。三種加筋方案中，通過(guò)對(duì)混凝土床身中的預(yù)埋件舉行有限元分析，預(yù)埋件承受的應(yīng)力是最大的，約為16.5MPa。

其次為鋼筋籠，約為11.7MPa，鋼筋網(wǎng)片的應(yīng)力相對(duì)較小，約為9.9MPa。因此，在混凝土床身設(shè)置上述三種加筋方案，能夠較好的制止混凝土由于水平荷載作用的開(kāi)裂和局部壓碎現(xiàn)象。

2.混凝土床身加筋后有限元分析（1）加筋后Mises應(yīng)力分析。圖8給出了Mises應(yīng)力云圖，其中（a）為機(jī)床整體應(yīng)力分布，（b）為加筋后混凝土床身應(yīng)力分布。由圖8（a）可以看出，在中間的刀架上由于存在一面外的水平力，使得該處發(fā)生應(yīng)力集中，最大應(yīng)力值為16.5MPa，其余各片面應(yīng)力相對(duì)較小。圖8（b）為混加筋后的應(yīng)力分布示意，可以看出，相對(duì)于加筋前的素混凝土，加筋后混凝土的整體應(yīng)力分布對(duì)比平勻，沒(méi)有展現(xiàn)由于局部應(yīng)力過(guò)大造成的開(kāi)裂或者局部壓碎現(xiàn)象，其中內(nèi)部錨桿承受了大片面水平荷載，其應(yīng)力值約為16.5MPa，整個(gè)混凝土床身受力安好。（2）加筋后混凝土床身Mises應(yīng)力分量分析。圖9所示為加筋后混凝土Mises應(yīng)力分量云圖，其中（a）為S11應(yīng)力分量（沿著X方向），（b）為S22方向應(yīng)力分量（沿著Y方向）?？梢钥闯觯炷链采響?yīng)力沿著X方向和Y方向帆布均對(duì)比平勻，沒(méi)有展現(xiàn)第一種計(jì)算結(jié)果中的開(kāi)裂等問(wèn)題，說(shuō)明加筋后混凝土床身具有良好的承載才能。（b）混凝土S22應(yīng)力分量云圖圖9加筋后混凝土Mises應(yīng)力分量云圖（a）混凝土S11應(yīng)力分量云圖四、結(jié)語(yǔ)通過(guò)對(duì)混凝土床身中的預(yù)埋件舉行有限元分析，察覺(jué)在混凝土床身設(shè)置上述三種加筋方案，能夠較好地制止混凝土由于水平荷載作用的開(kāi)裂和局部壓碎現(xiàn)象。對(duì)加筋后Mises應(yīng)力分析，加筋后混凝土的整體應(yīng)力分布對(duì)比平勻，沒(méi)有展現(xiàn)由于局部應(yīng)力過(guò)大造成的開(kāi)裂或者局部壓碎現(xiàn)象，其中內(nèi)部錨桿承受了大片面水平荷載，其應(yīng)力值約為16.5MPa，整個(gè)混凝土床身受力安好