高處作業(yè)吊籃結(jié)構(gòu)參數(shù)化的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

鄭夕健，王紹龍，董 建

（沈陽建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

0 引言

高處作業(yè)吊籃（簡稱吊籃）是一種現(xiàn)代建筑安裝工程所必需的裝備，以搭建拆卸方便、成本低等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[1]。目前國內(nèi)常見的有ZLP630 與ZLP800，跨度為7.5m，這些小載荷的吊籃嚴(yán)重阻礙了施工效率的提高[2]。懸掛裝置與懸吊平臺作為整個(gè)吊籃系統(tǒng)的主要機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[3]對吊籃的承載能力和安全性能至關(guān)重要。

本文以自行研發(fā)的ZLP3000 型吊籃為研究對象，基于VB 和APDL 語言[4,5]編制了高處作業(yè)吊籃參數(shù)化設(shè)計(jì)程序，對其主要結(jié)構(gòu)的截面尺寸、各吊點(diǎn)連接位置和結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)置，完成了結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模、結(jié)構(gòu)分析和結(jié)果輸出，為吊籃同類產(chǎn)品的研發(fā)及生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 ZLP3000 型高處作業(yè)吊籃簡介

高處作業(yè)吊籃是一種將懸掛裝置架設(shè)于建筑物樓頂，利用提升機(jī)驅(qū)動懸吊平臺，使載有工具和材料的懸吊平臺，通過鋼絲繩沿建筑物表面上下升降的載人設(shè)備，主要用于高層建筑物及多層建筑物的外墻施工、裝修以及幕墻門窗的安裝、清洗等工程作業(yè)。其結(jié)構(gòu)主要由懸掛裝置、懸吊平臺、提升系統(tǒng)（包括提升機(jī)與鋼絲繩）、防墜落裝置、電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)六部分組成[2]，整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 高處作業(yè)吊籃結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Composition of temporarily installed suspended access equipment's structure

2 ZLP3000 型高處作業(yè)吊籃參數(shù)化設(shè)計(jì)

高處作業(yè)吊籃參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括懸掛裝置和懸吊平臺的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)兩部分，具有較強(qiáng)處理實(shí)際問題能力，為不熟悉ANSYS 軟件的工程設(shè)計(jì)人員提供良好的設(shè)計(jì)優(yōu)化平臺。

（1）懸掛裝置參數(shù)化設(shè)計(jì)。懸掛裝置參數(shù)化設(shè)計(jì)包括基本參數(shù)設(shè)置、網(wǎng)格劃分、有限元分析和結(jié)果輸出四部分，每部分對應(yīng)各自模塊。有限元分析對應(yīng)求解模塊，有限元分析界面設(shè)置如圖2 所示。

在圖2 數(shù)據(jù)窗口中輸入兩根鋼絲繩吊點(diǎn)之間距離、上立柱支點(diǎn)到支點(diǎn)中心的距離等參數(shù)值后，點(diǎn)擊“ansys分析”按鈕，調(diào)用ANSYS 讀取完整的APDL 程序進(jìn)行懸掛裝置承受極限工作載荷時(shí)的求解。再根據(jù)結(jié)果輸出比較優(yōu)化前后應(yīng)力、位移等結(jié)果，得出該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理的結(jié)論。

（2）懸掛裝置參數(shù)優(yōu)化。應(yīng)用懸掛裝置參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)對不同吊點(diǎn)位置的懸掛裝置進(jìn)行有限元分析，優(yōu)化前后輸入數(shù)據(jù)如表1 所示。

圖2 有限元分析界面Fig.2 Finite element analysis interface

表1 優(yōu)化前后界面輸入數(shù)據(jù)（單位：mm）Tab.1Theinterfaceinputdatabeforeandafterof Optimization(unit:mm)

優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)應(yīng)力對比結(jié)果如圖3 和圖4 所示，X向和Y 向位移對比結(jié)果見表2。

圖3 優(yōu)化前結(jié)構(gòu)應(yīng)力Fig.3 The structure stress before optimization

圖4 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)應(yīng)力Fig.4 The structure stress after optimization

通過以上優(yōu)化前后方案的對比可知，最大應(yīng)力由209.99MPa 降低到199.13MPa（均滿足材料的許用應(yīng)力），降低了5.17%；斜拉鋼絲繩1 前吊點(diǎn)Y 向撓度由1.4cm降到1.24cm，降低了11.4%；斜拉鋼絲繩2 前吊點(diǎn)Y 向撓度由0.68cm 降到0.58cm，降低了14.7%；斜拉鋼絲繩1后梁吊點(diǎn)由0.55cm 降到0.53cm，降低了3.77%。以上結(jié)果經(jīng)過優(yōu)化后均得到較大幅度的改善，提高了懸掛裝置的整體安全性能。

表2 優(yōu)化先后數(shù)據(jù)對比Tab.2Datecomparisonbeforeandafterofoptimization

（3）懸吊平臺參數(shù)化設(shè)計(jì)及優(yōu)化。懸吊平臺的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)由上橫梁、中橫梁、下橫梁、上腹桿、下腹桿、立柱、底板、角鋼和彎板組成，各組成部件材料選用Q235。根據(jù)GB/T6728—2002 中方形及矩形冷彎空心型鋼的截面形式和GB/T706—2008 中等邊角鋼的截面尺寸，結(jié)合現(xiàn)有型號懸吊平臺組成部件的截面尺寸，初步選取懸吊平臺各組成部件截面形式和相關(guān)參數(shù)如表3 所示。

表3 平臺各部件截面尺寸和相關(guān)參數(shù)（單位：mm）Tab.3SectionsizeandrelatedparametersofPlatform components（unit:mm）

結(jié)合國內(nèi)懸吊平臺的模塊長度（0.5m、1m、1.5m、2m、2.5m 和3m），基于枚舉法對跨度為20m 的懸吊平臺組合方案進(jìn)行研究，并結(jié)合對懸吊平臺標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組合數(shù)量和對稱布置的研究，得出表4 所示的七種模塊化組合方案；根據(jù)GB19155-2003 中的規(guī)定以及實(shí)際工作情況，選擇懸吊平臺承受靜力試驗(yàn)載荷作為最危險(xiǎn)工況（荷載值P=63700N）。在懸吊平

表420 m懸吊平臺模塊化組合方案Tab.4Modularcombinationschemeof 20m suspendedplatform

臺結(jié)構(gòu)分析界面中選擇平臺模塊化組合方案、工況載荷與雙吊點(diǎn)在端部形式后，點(diǎn)擊“進(jìn)行有限元分析”，系統(tǒng)會自動調(diào)用ANSYS 讀取完整的APDL 程序?qū)ζ脚_進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而輸出相應(yīng)結(jié)果。

由圖5 可知，表4 中的方案一和方案五小于Q235 的許用應(yīng)力，其余方案的最大綜合應(yīng)力均大于Q235 的許用應(yīng)力。若保持初始結(jié)構(gòu)參數(shù)和吊點(diǎn)位置不變，建議選擇方案一和方案五，若力求平臺重量最小且材料得到充分利用，方案一可適當(dāng)減小組成部件的截面尺寸。

圖5 不同方案數(shù)據(jù)對比界面Fig.5 Date contrastive interface of different scheme

3 結(jié)論

本文完成大載荷高處作業(yè)吊籃結(jié)構(gòu)參數(shù)化系統(tǒng)的開發(fā)，通過實(shí)例分析驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性，并得到以下結(jié)論：

（1）通過VB 結(jié)果輸出界面提取計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，對多組方案計(jì)算數(shù)據(jù)對比分析可知，懸掛裝置結(jié)構(gòu)受力降低5.06%，相關(guān)性能指標(biāo)滿足要求，提高懸掛裝置的整體安全性能，取得較為滿意的優(yōu)化方案。

（2）通過對比不同模塊組合方案下懸吊平臺的應(yīng)力值，獲得了20m 懸吊平臺最佳布局為雙吊點(diǎn)內(nèi)移式的方案六，為不同形式的懸吊平臺設(shè)計(jì)研發(fā)提供有效的理論參考依據(jù)。

（3）基于VB 的ANSYS 參數(shù)化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算參數(shù)的快速輸入及結(jié)果的輸出，大大縮短了建模時(shí)間，快速有效的提高了懸掛裝置與懸吊平臺設(shè)計(jì)分析效率。

[1]張華，李守林.國內(nèi)外高空作業(yè)機(jī)械的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢（上）[J].建筑機(jī)械化，2011，3.

[2]GB 19155-2003，高處作業(yè)吊籃[S].

[3]王麗，樊湘芳，王調(diào)品.塔式起重機(jī)底盤半底架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].攀枝花學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，6.

[4]Xijian Zheng，Jinxia Ma，Yiwei An，et al. Parametric Design of Suspension Rig Based on VB and ANSYS [C].Applied Mechanics and Materials, 2013.

[5]史進(jìn)，鄭建榮，俞中建. 基于APDL 的門式起重機(jī)主梁參數(shù)化建模與仿真[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2009，4.

[6]張彥立，王廣慶，李曼.基于VB 和ANSYS 的風(fēng)機(jī)塔筒參數(shù)化建模與分析[J].機(jī)電工程，2012，2.

[7]鄭夕健，劉明達(dá)，賈超，等.吊籃懸吊平臺有限元建模及其分析[J].建筑機(jī)械化，2011，3.

[8]鄭夕健，等.吊籃懸吊平臺參數(shù)化設(shè)計(jì)及優(yōu)化[J].建筑機(jī)械化，2014，6.