基于ANSYS的吊梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

楊世文

摘 要：本文根據(jù)各大港口普遍存在的問(wèn)題，專門設(shè)計(jì)一種用于起吊非標(biāo)準(zhǔn)集裝箱以及散貨的特種吊梁。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先選擇一種最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案；其次利用INVENTOR三維軟件建模，利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)該吊梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，從而最終設(shè)計(jì)出一種滿足設(shè)計(jì)載荷要求的吊梁；最后利用試驗(yàn)的手段對(duì)所設(shè)計(jì)的吊梁進(jìn)行載荷試驗(yàn)測(cè)試，最終驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的吊梁完全能滿足設(shè)計(jì)載荷要求。

關(guān)鍵詞：ANSYS；吊梁；設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.245

1 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，許多港口、碼頭既得到了實(shí)惠但同時(shí)又接受著考驗(yàn)。由于散貨形式的多樣性使得標(biāo)準(zhǔn)集裝箱吊具無(wú)法完成起吊的任務(wù)。為了能方便起吊所有的貨物，專門設(shè)計(jì)了一種用于起吊非標(biāo)準(zhǔn)集裝箱以及散貨的吊梁。眾所周知，梁結(jié)構(gòu)是工程中一種比較常用的結(jié)構(gòu)，尤其在起重機(jī)械、專用吊梁中最為常見(jiàn)。隨著材料科學(xué)和焊接工藝的發(fā)展，現(xiàn)代起重機(jī)械上的梁如岸橋主梁、場(chǎng)橋主梁朝著大跨度、輕型化和柔性化方向發(fā)展，這就對(duì)梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，需要對(duì)梁結(jié)構(gòu)的各種力學(xué)性能進(jìn)行計(jì)算與分析，如靜態(tài)力學(xué)特性、強(qiáng)度、剛度與變形等。隨著計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)方法的發(fā)展，用數(shù)值分析的方法進(jìn)行此類問(wèn)題的計(jì)算可以節(jié)省大量的人力、物力和時(shí)間。目前最為有效的數(shù)值分析方法是有限元法。ANSYS是大型通用有限元軟件，被廣泛應(yīng)用于港口機(jī)械及起重運(yùn)輸機(jī)械中，它具有強(qiáng)大的前處理及計(jì)算分析能力。

文中首先利用INVENTOR三維建模軟件建立吊梁的三維模型，之后利用ANSYS10.0對(duì)該吊梁分別在兩種連接方式下所受偏載工況進(jìn)行有限元分析，得到了該吊梁分別在兩種工況下的變形及應(yīng)力分析數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)反復(fù)多次優(yōu)化，最終設(shè)計(jì)出符合要求的吊梁。在分析過(guò)程中，比較兩種連接方式下吊梁的變形和應(yīng)力變化情況，并在符合吊梁設(shè)計(jì)使用等級(jí)的情況下分析吊梁的疲勞應(yīng)力，從而使吊梁的設(shè)計(jì)更加合理。

2 總體方案設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)吊梁的實(shí)際工況可知該吊梁須滿足以下要求：1.兩種連接方式，既能與上架連接又能與雙箱吊具連接；2.必須能進(jìn)入船艙作業(yè)，因此該吊梁的外形尺寸不能超過(guò)40集裝箱的外形尺寸12192mm×2438mm范圍；3.功能的多樣性，即必須具備10、 15、 25、 30、 35和40非標(biāo)準(zhǔn)集裝箱以及散貨的起吊能力；4.額定起重量60T及其他技術(shù)要求。

2.2 兩種方案的比較

根據(jù)要求可行的設(shè)計(jì)方案有兩種：雙梁結(jié)構(gòu)和單根箱型梁結(jié)構(gòu)。為此對(duì)兩種方案比較如下：a.雙梁結(jié)構(gòu)。此種結(jié)構(gòu)可以利用兩根工字鋼作為聯(lián)系梁從而增加梁的整體穩(wěn)定性，但是由于多組吊耳的存在使得兩吊耳間的加強(qiáng)筋增加，從而增加了吊梁的重量；采用兩組箱型梁作為聯(lián)系梁使得吊梁的剛度非常富裕，既浪費(fèi)了成本又增加了重量。b.單根箱型梁結(jié)構(gòu)。箱形截面梁以其優(yōu)良的力學(xué)特性——具有較大的剛度和強(qiáng)大的抗扭性能和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、受力明確、節(jié)省材料、架設(shè)安裝方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。采用單梁的箱型梁結(jié)構(gòu)雖沒(méi)有采用雙根箱型梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性好，但是卻大大減少了重量，同時(shí)在符合設(shè)計(jì)要求的前提下穩(wěn)定性足夠。為此選用單根箱型梁的結(jié)構(gòu)。

3 有限元分析

3.1 三維模型的建立

結(jié)合設(shè)計(jì)要求，采用單根箱型梁的設(shè)計(jì)方案，利用INVENTOR軟件初步設(shè)計(jì)吊梁的三維模型。該吊梁主要由箱型主梁、箱型中間梁和箱型端梁組成，與上架相連時(shí)采用單板連接，與雙箱吊具相連時(shí)采用箱梁預(yù)留孔的連接方式。

3.2 有限元分析

從吊梁的設(shè)計(jì)要求可知，該吊梁有兩種連接方式即與上架連接和與雙箱吊具連接。與上架連接時(shí)，吊梁的最大工況相當(dāng)于一個(gè)有四點(diǎn)支撐的簡(jiǎn)支梁，最大載荷位于載荷為40‘吊耳處。與雙箱吊具連接時(shí)，吊梁的最大工況相當(dāng)于一個(gè)有八點(diǎn)支撐的簡(jiǎn)支梁，最大載荷位于25吊耳處。

在此次分析過(guò)程中，首先定義線彈性結(jié)構(gòu)材料的相關(guān)參數(shù)，如表1所示，利用workbench默認(rèn)的網(wǎng)格類型，通過(guò)固定吊梁的四個(gè)上架吊耳，施加在40吊耳位置處的偏載對(duì)此吊梁進(jìn)行最大工況下的應(yīng)力分析。

通過(guò)ANSYS軟件對(duì)吊梁兩種工況下的分析結(jié)果分比恩如下圖所示：

從上面的分析可知，與上架連接時(shí)最大應(yīng)力出現(xiàn)在梁中部的上翼板處，最大應(yīng)力為197.68MPa，吊耳處的最大應(yīng)力為上架吊耳處145MPa。最大應(yīng)變出現(xiàn)在梁的兩端且隨偏載的大小兩端的變形量有很大的變化。與雙箱吊具連接時(shí)最大應(yīng)力出現(xiàn)在兩側(cè)轉(zhuǎn)銷的大約中部位置處，最大應(yīng)力為107.58MPa，吊耳處的最大應(yīng)力為25吊耳處145MPa。最大應(yīng)變出現(xiàn)在梁兩側(cè)轉(zhuǎn)銷的中部位置處且隨偏載的大小兩端的變形量有很大的變化。

為計(jì)算吊梁的疲勞應(yīng)力，需要對(duì)梁進(jìn)行許用疲勞應(yīng)力計(jì)算，由吊梁的使用等級(jí)為8級(jí)，查BS 2573標(biāo)準(zhǔn)可知，吊梁的壽命為50萬(wàn)次，許用疲勞應(yīng)力為169MPa。由于與上架連接為最危險(xiǎn)的工況，所以對(duì)吊梁下40吊耳處施加153KN的載荷，利用ANSYS軟件計(jì)算如下。

由計(jì)算結(jié)構(gòu)可知，最大應(yīng)力為111.09，遠(yuǎn)小于50萬(wàn)次的許用應(yīng)力169MP，所以此吊梁在許用壽命內(nèi)應(yīng)力足夠，完全符合設(shè)計(jì)要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證實(shí)際方案的可行性，對(duì)該吊梁進(jìn)行150%的靜態(tài)載荷試驗(yàn)。借助公司現(xiàn)有吊具靜載試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)制作相關(guān)試驗(yàn)工裝包括利用8根雙箱吊具中部伸縮油缸作為起吊門架的動(dòng)力，利用鋼絲繩、鋼絲繩夾等相關(guān)輔件固定吊梁，調(diào)整系統(tǒng)工作壓力到10MPa，對(duì)該吊梁進(jìn)行出廠 驗(yàn)證，從而驗(yàn)證了該吊梁完全符合額定載荷150%的承載能力。

試驗(yàn)結(jié)果表明，吊梁的設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)的靜態(tài)載荷要求，滿足出廠的前提條件。

5 結(jié)論

本文結(jié)合當(dāng)今碼頭存在的問(wèn)題，專門設(shè)計(jì)了一種特種吊梁，使得一些非標(biāo)準(zhǔn)集裝箱以及散貨起吊成為可能，并且再次驗(yàn)證了利用ANSYS有限元分析軟件能快速、準(zhǔn)確的完成設(shè)計(jì)任務(wù)，使產(chǎn)品盡快的投入使用！

利用ANSYS進(jìn)行吊梁的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析符合實(shí)際，吊梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的，強(qiáng)度設(shè)計(jì)是符合要求的。

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