基于有限元的吊梁分析

王 樂，王雅彬

（臺(tái)海瑪努爾核電設(shè)備股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264003）

吊梁作為工程建設(shè)中重要的起重設(shè)備，在現(xiàn)代化各行業(yè)的建設(shè)應(yīng)用十分廣泛。由于吊梁種類多樣，形狀具有不規(guī)則性，通過人工計(jì)算受力結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，計(jì)算量較大，且計(jì)算精度不夠。隨著工程設(shè)計(jì)和繪圖軟件的發(fā)展，應(yīng)用計(jì)算機(jī)有限元分析方法可以提高數(shù)據(jù)計(jì)算精度，為優(yōu)化吊梁設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 工程案例

本公司承接某項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)框架模塊，其中主體模塊重約150t，吊點(diǎn)橫向跨度為17m，而起重機(jī)兩吊鉤之間間距為4m，直接起重起吊會(huì)造成模塊變形。因此，考慮使用安全性、可靠性較高的吊梁設(shè)備施工?？紤]工程施工成本的控制，使用公司庫存的優(yōu)選鋼管。鋼管直徑為350mm,長度8.5m。由于起吊重量較大，因此在鋼管周圍焊接T型鋼板以提高吊梁的強(qiáng)度和剛性。公司使用的吊梁和其他構(gòu)件具有通用性，因此，選用的鋼管以單獨(dú)體的制作方式施工應(yīng)用，必要時(shí)兩根鋼管合并起吊。根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)，起吊構(gòu)架的主跨距范圍在8m～10m時(shí)，使用一根吊梁，而構(gòu)件主跨距為15m～18m時(shí)，需要兩根吊梁合并起吊。由于承接項(xiàng)目主體模塊的跨度為17m，因此，起吊施工中采用兩根吊梁合并的方式起吊施工。

2 鋼結(jié)構(gòu)吊裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

為了確保吊裝系統(tǒng)性能的高效發(fā)揮，控制吊梁結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致的功能發(fā)揮失常，并保證內(nèi)部設(shè)備安全，需要通過建模前的設(shè)計(jì)方案確定吊裝系統(tǒng)。為節(jié)約工程成本利用現(xiàn)有鋼材為吊裝設(shè)備橫梁，通過板材焊接吊耳，并使用提升千斤頂和吊裝平衡梁等構(gòu)件[1]。

3 有限元模型的建立

使用有限元方法進(jìn)行分析，首先建立有限元模型。需要根據(jù)幾何建模、材料屬性定義和實(shí)常數(shù)等設(shè)置幾何特性參數(shù)。根據(jù)軟件定義單元類型和網(wǎng)格劃分，并添加約束和荷載。使用ANSYS軟件SHELL181單元的中等厚度殼結(jié)構(gòu)分析功能，對(duì)殼板的彎曲和薄膜力學(xué)行為的功能進(jìn)行分析，分析時(shí)需要充分考慮板殼結(jié)構(gòu)剪切變形的影響[2]。并對(duì)吊梁在作業(yè)過程中的抗拉、抗彎及抗壓應(yīng)力實(shí)施分析，完成受力構(gòu)件使用材料的屈服程度分析，優(yōu)化判斷吊梁設(shè)計(jì)是否可靠、安全。

3.1 模型簡(jiǎn)化與網(wǎng)格劃分

通過有限元SHELLl81單元類型對(duì)起吊主梁的安全性和可靠性進(jìn)行建模分析。建立吊梁有限元模型時(shí)可以對(duì)吊梁實(shí)體進(jìn)行簡(jiǎn)化，只需保留主要承載構(gòu)件和形狀結(jié)構(gòu)，以能夠反應(yīng)構(gòu)件結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性為主，對(duì)非必要承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，盡量規(guī)避倒角、螺紋等非必要結(jié)構(gòu)影響網(wǎng)格劃分。在運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)選用計(jì)算精度較高的，且具有較高剛度的四面體節(jié)點(diǎn)單元，并使用Smansize輔助功能對(duì)網(wǎng)格自由劃分并進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜斯ふ{(diào)整[3]，建立的模型共28972個(gè)節(jié)點(diǎn)和13787的單元，有限元模型見下圖圖1所示。

圖1 吊梁三維幾何模型

3.2 數(shù)據(jù)計(jì)算條件和處理

吊梁使用的材料為Q420B高強(qiáng)度鋼，根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算基本許用應(yīng)力σ=（0.5σb+0.35σs）/n,其中σb為630MPa,σs為420Mpa,安全系數(shù)取1.34，計(jì)算結(jié)果σ為308MPa,而卸扣軸材料為42CrMo鋼，計(jì)算其許用應(yīng)力為589MPa。吊梁材料的彈性模量E為2.10×105MPa,泊松比0.30,密度7850kg/m3。上吊耳提升單元類型為Solid185,材料屬性和梁及底架一致。卸扣軸單元類型為Solid185,材料屬性42CrMo鋼,彈性模量2.06×105MPa,泊松比為0.28,密度7 850 kg/m3，質(zhì)量元為Mass，約束及載荷采用吊點(diǎn)全約束。荷載簡(jiǎn)化和邊界條件為吊梁的工作荷載150t，計(jì)算中施加在節(jié)點(diǎn)上的工作荷載為1.47N。

一般情況下，軸和起吊孔的接觸位置在下半圓，且接觸分布應(yīng)力可以按照余弦函數(shù)分布計(jì)算，施加在各節(jié)點(diǎn)上的力根據(jù)上述原則進(jìn)行計(jì)算。使用有限元方法求解工程問題時(shí)需要通過正確的邊界條件消除剛體位移機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)性影響[3]。而該吊梁模型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和實(shí)際約束需要引入對(duì)稱面邊界條件，通過縱向平平移自由度進(jìn)行約束。

4 吊梁的試驗(yàn)驗(yàn)證

動(dòng)力荷載試驗(yàn)可以根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)重量的1.1倍施加試驗(yàn)載荷,動(dòng)力載荷停留位置和施加靜載荷位置相同,起重機(jī)抬升速度為控制在400mm/min,在離開地面400mm后迅速制動(dòng)，保持空中停留10min再下降,下降速度同為400mm/min。并通過添加臨時(shí)荷載進(jìn)行起吊、降落最少三次的動(dòng)載荷試驗(yàn)。經(jīng)過動(dòng)載和靜載模式試驗(yàn)確保吊裝設(shè)備穩(wěn)定后，液壓同步調(diào)控制系統(tǒng)各吊點(diǎn)保持同步使系統(tǒng)靈活運(yùn)行，確保施工安全可靠。

5 討論以結(jié)果優(yōu)化

以建立有限元的方法對(duì)吊梁進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，可以通過有限元的模擬計(jì)算提高計(jì)算的精確度，對(duì)吊梁結(jié)構(gòu)的不同受力構(gòu)件的應(yīng)力狀況進(jìn)行分析，得出相對(duì)精確的實(shí)際施工狀態(tài)下的吊裝結(jié)構(gòu)受力情況。為了吊裝結(jié)構(gòu)滿足鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目的施工要求，現(xiàn)根據(jù)受力結(jié)果分析提出以下結(jié)論：由于主體吊梁鋼管和端板有限元受力分析中滿足規(guī)定強(qiáng)度要求，因此，不許做額外加強(qiáng)，但受力吊梁主體鋼管的應(yīng)符合GB3811規(guī)范要求。端板受力分析滿足受力需要，也應(yīng)根據(jù)規(guī)范進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)。起吊吊耳受力位置超過許用應(yīng)力，沒有達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度要求。因此，通過在吊耳兩側(cè)部位加裝相應(yīng)厚度的鋼板，以達(dá)到規(guī)范要求。并通過后期設(shè)計(jì)和施工圖紙的完善對(duì)方案進(jìn)行確定，使吊裝系統(tǒng)的強(qiáng)度達(dá)到施工要求。同時(shí)液壓調(diào)平系統(tǒng)模擬調(diào)平試驗(yàn)中各吊點(diǎn)能夠保持同步位移，且操作具有靈活性，驗(yàn)證了鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目吊裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

參考文獻(xiàn)

[1]于喜年,王衍,袁雷.某核電站控制廠房整體吊裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].黑龍江科技大學(xué)學(xué)報(bào),2017,(1)：82-86.

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[3]張盛華.吊梁的設(shè)計(jì)及有限元分析[J].南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2015,(2)：11-13.