有限元分析在吊排結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

劉彥培

（巨力索具股份有限公司技術(shù)中心，河北 保定 072550）

有限元分析在吊排結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

劉彥培

（巨力索具股份有限公司技術(shù)中心，河北 保定 072550）

隨著現(xiàn)代工業(yè)化的快速發(fā)展，越來越多的工業(yè)設(shè)備、船廠制造、維修船舶，超高、超重、超大，主要是起吊不同船體分段。為了使吊裝變得簡化、實用，吊排在專用吊具中作用十分關(guān)鍵。吊排的強(qiáng)度校核變得尤為重要及繁瑣，針對此類吊具的使用形式與方法，可以采用有限元進(jìn)行各個截面及部位的分析，使得吊排的計算簡便，吊排的計算更加準(zhǔn)確安全。文章就有限元分析在吊排結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用展開了論述。

吊排；多吊點(diǎn)；有限元；傾斜角度吊具；安全；方便校核

首先，我們來通過案例來探討有限元分析在吊排結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。以青島武船重工公司采購的200t分段船體吊排為例（見圖1）。

圖1 青島武船重工公司200t分段船體吊排平面圖

如果對吊排整體進(jìn)行計算公式的強(qiáng)度計算，必定有不能計算的部位或有計算結(jié)果不準(zhǔn)確的數(shù)值。現(xiàn)采用有限元對梁體進(jìn)行分析為例，其他部件類同。結(jié)果如下：

1 課題目的

應(yīng)用有限元方法對200t吊排，進(jìn)行工作狀態(tài)下靜力分析，得到吊排撓度、應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果。

2 200t吊排數(shù)值模型的建立

2.1 簡化原則

200t吊排主要由梁體、吊攀、銷軸組件、滑車、卸扣等組成。而吊排結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，部件繁多。因此，從有限元分析目的及實際情況出發(fā)，認(rèn)真分析吊排結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，忽略其他因素。在吊排真實受力情況下，對其進(jìn)行了合理地簡化，主要包括：由于本計算主要關(guān)心200t吊排的受力狀態(tài)，故忽略壓制鋼絲繩索具、滑車、卸扣等，只建立梁體的有限元模型；并將吊攀、吊板、滑車和銷軸分別單獨(dú)作受力計算。

2.2 材料模型

材料本構(gòu)模型，是描述材料在外力作用下表現(xiàn)出來的力學(xué)行為，即應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，主要指標(biāo)包括彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度和破壞強(qiáng)度。吊排的梁體主要制作材料為Q460D，部分板材為Q345B。本計算中的梁體受力過程處于彈性范圍，故用彈性性質(zhì)描述吊排在荷載下的力學(xué)行為，各項參數(shù)保守選取，其材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

3 200噸吊排的靜力分析

3.1 計算模型

根據(jù)圖紙進(jìn)行建模（部分焊道根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計），具體單元信息（見表2）。

表2 吊排單元信息

模型部分構(gòu)件形狀不規(guī)則，主要有梁體、耳板、貼板、上翼板、下翼板、筋板組成。建立的模型圖、剖面圖以及局部細(xì)化圖（見圖2）。

模擬、分析梁體在額定載荷下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，有限元計算模型（見圖3）。

圖2 吊排幾何模型

圖3 吊排有限元計算模型

3.2 工況荷載

吊排的額定荷載為200t，通過十二個滑車下的壓制鋼絲繩索具起吊重物，忽略滑車和鋼絲繩索具，直接在梁體的銷軸安裝孔處建立模擬單元。

工況一，梁體中間六個滑車起吊，每個滑車的承載力為30t。在受力滑車對應(yīng)的定滑輪軸孔處及索具軸孔處建立模擬單元，考慮梁體及附件的自重，施加的總的荷載為190t，即1862kN。

3.3 計算結(jié)果及分析

（1）Mises等效應(yīng)力。在實體結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)處于三維應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力分布要復(fù)雜得多，不能僅用單一方向上的應(yīng)力分量來判斷結(jié)構(gòu)此處的狀態(tài)，需要根據(jù)強(qiáng)度理論進(jìn)行判斷。

（2）工況一計算結(jié)果云圖。吊排主體材料Q460D的屈服強(qiáng)度為460MPa。在上述工況荷載下，吊排的最大應(yīng)力（von mises 等效應(yīng)力）值為222.1MPa，且最大值出現(xiàn)在梁體與吊板連接的吊板軸孔處加載部位的邊緣（圖中紅色部分）（見圖4）。

（3）工況一結(jié)果分析。①吊排材料的屈服強(qiáng)度460MPa，吊排的最大von mises等效應(yīng)力值為222.1MPa，而且最大值出現(xiàn)在梁體與吊板連接的吊板軸孔處加載部位的邊緣，隱藏該部分受力情況，梁體大部分材料的最大應(yīng)力（von mises 等效應(yīng)力）值都小于136.6MPa，未達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度460MPa。②吊排最大應(yīng)變?yōu)?.0009166，最大應(yīng)變位置與最大應(yīng)力位置一致。③吊排最大撓度出現(xiàn)在梁體中部，最大值為7.244mm。

圖4 吊排von mises 等效應(yīng)力云圖

4 結(jié)束語

通過對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的吊排，多工況使用形式的吊排中適應(yīng)性更強(qiáng)、安全性更高，達(dá)到非常好的效果。此次案例的研究和分析為同類產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)提供了參考價值。

[1]機(jī)械設(shè)計手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[2]梁式吊具[S].GB/T26079-2010.

[3]張質(zhì)文,虞和謙,王金諾,等.起重機(jī)設(shè)計手冊[M].北京:中國鐵道出版社,1997.

[4]低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼[S].GB/T1591-2008.

O242.21

A

1671-3818（2016）04-0053-02

劉彥培（1986-）男，河北保定人，助理工程師，研究方向：梁式吊具。