關(guān)于軸式吊耳局部應(yīng)力檢測(cè)方法的探討

馬 松

(中鹽工程技術(shù)研究院有限公司，天津 300450)

各領(lǐng)域工程項(xiàng)目設(shè)備都朝著重型化、大型化的趨勢(shì)不斷發(fā)展，與此同時(shí)吊裝規(guī)模也逐漸變大，直接提升了對(duì)吊裝技術(shù)與吊裝設(shè)備的要求[1]。作為吊裝設(shè)備的主要連接部件，吊耳與整體吊裝技術(shù)的吊裝安全直接相關(guān)，隨著特殊性吊裝與吊裝設(shè)備大型化的普及，標(biāo)準(zhǔn)化傳統(tǒng)吊耳已經(jīng)無法滿足現(xiàn)今的吊裝需求，大型設(shè)備吊裝中越來越頻繁的使用軸式吊耳，而軸式吊耳的局部應(yīng)力檢測(cè)問題也已經(jīng)成為當(dāng)前整體吊裝中的一個(gè)重要問題[2]。

相關(guān)專家和學(xué)者對(duì)軸式吊耳的局部應(yīng)力檢測(cè)方法進(jìn)行研究，并取得了一些成果。文獻(xiàn)[3]提出一種塔器軸式吊耳強(qiáng)度計(jì)算及有限元應(yīng)力分析方法。應(yīng)用SW6-2011計(jì)算軟件對(duì)軸式吊耳的局部應(yīng)力進(jìn)行核算,引入有限元分析軟件對(duì)軸式吊耳的受力情況進(jìn)行整體檢測(cè)。檢測(cè)效率較高，但檢測(cè)準(zhǔn)確度較低。文獻(xiàn)[4]提出一種大型薄壁設(shè)備軸式吊耳局部應(yīng)力設(shè)計(jì)計(jì)算方法。充分考慮了吊耳處的加厚段，結(jié)合WRC 107計(jì)算和有限元分析兩種方法，對(duì)軸式吊耳的局部應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。相較于文獻(xiàn)[3]方法，檢測(cè)準(zhǔn)確度有所提高，但仍然不理想。

為此提出一種軸式吊耳的局部應(yīng)力檢測(cè)方法。以獲取的軸式吊耳的局部應(yīng)力值為基礎(chǔ)，構(gòu)建有限元檢測(cè)模型，完成軸式吊耳局部應(yīng)力的檢測(cè)。經(jīng)過驗(yàn)證得出，該方法的檢測(cè)準(zhǔn)確度大幅度提高，滿足軸式吊耳承載能力要求，能夠確保吊裝安全。

1 軸式吊耳的局部應(yīng)力檢測(cè)方法

1.1 局部應(yīng)力值的獲取

軸式吊耳的整體受力包括吊耳管軸水平軸向的分力與彎矩，因此需要對(duì)軸式吊耳的局部應(yīng)力進(jìn)行簡(jiǎn)化，然后進(jìn)行計(jì)算[3]。在簡(jiǎn)化時(shí)，要注意軸式吊耳在270°方向與90°方向均不受彎矩作用影響，因此，簡(jiǎn)化局部應(yīng)力時(shí)只需要考慮180°方向與0°方向的情況即可[4]。簡(jiǎn)化時(shí)的力矩單位是kN·mm、力的單位是kN、長度單位是mm。在簡(jiǎn)化過程中，按照慣性矩對(duì)軸式吊耳的內(nèi)筋板進(jìn)行等效，其中，內(nèi)筋板等效壁厚的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：S′——內(nèi)筋板的等效壁厚;d——管軸直徑;IB-B——B-B面的慣性矩。

求導(dǎo)吊裝系數(shù)的計(jì)算公式如下：

(2)

式中：D——管軸長度;S0——墊板與擋板的距離;λ——吊裝系數(shù)。在簡(jiǎn)化時(shí)通常不考慮補(bǔ)強(qiáng)板的影響。

完成局部應(yīng)力的簡(jiǎn)化后對(duì)局部應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，首先，查詢局部應(yīng)力的計(jì)算系數(shù):以S0/S′、λ、d/S′的值為依據(jù)，對(duì)相應(yīng)的索引表進(jìn)行查詢，當(dāng)查詢不出對(duì)應(yīng)的數(shù)值時(shí)，需要通過插值計(jì)算得出相應(yīng)數(shù)值。相應(yīng)的索引表如表1。

表1 相應(yīng)的索引表Tab.1 The corresponding index table

續(xù)表1 (Continue)

通過查詢相應(yīng)的索引表可以分別得到對(duì)應(yīng)的局部應(yīng)力計(jì)算系數(shù)。接著對(duì)表面應(yīng)力與應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算:在吊裝設(shè)備都處于就位狀態(tài)時(shí)，對(duì)180 °方向與0 °方向軸式吊耳塔壁的外表面應(yīng)力與內(nèi)表面應(yīng)力分別進(jìn)行計(jì)算，得到相應(yīng)的應(yīng)力值;并對(duì)180 °方向與0 °方向軸式吊耳塔壁的局部應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，得到應(yīng)力強(qiáng)度最大值[5]。將三倍屈服極限與應(yīng)力強(qiáng)度最大值進(jìn)行比較，保證應(yīng)力強(qiáng)度最大值處于三倍屈服極限之內(nèi)，防止出現(xiàn)局部失穩(wěn)現(xiàn)象[6]。

1.2 軸式吊耳局部應(yīng)力有限元檢測(cè)模型的建立

在完成局部應(yīng)力值的計(jì)算后，利用局部應(yīng)力值的計(jì)算結(jié)果描述軸式吊耳的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，建立軸式吊耳局部應(yīng)力有限元檢測(cè)模型。首先，對(duì)軸式吊耳的特征參數(shù)進(jìn)行提取[7]，其中，軸式吊耳的特征參數(shù)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 軸式吊耳特征參數(shù)結(jié)構(gòu)Fig.1 Characteristic parameter structure chart of shaft lifting lug

由于軸式吊耳模型通常由不同厚度的筒狀結(jié)構(gòu)與板類結(jié)構(gòu)構(gòu)成，因此，在建立有限元檢測(cè)模型時(shí)，需要利用去除材料的方法[8]。也就是先要建立有限元檢測(cè)模型的整體輪廓，接著逐步切割各部分并將多余部分刪除，直到獲取預(yù)期模型為止，在建立整體輪廓時(shí)需要細(xì)致地把握小尺寸，并根據(jù)板類結(jié)構(gòu)的厚度與平板特征尺寸之比進(jìn)行單元的選取，如表2。

表2 單元選取Tab.2 Unit selection

為了符合薄膜單元、殼單元、實(shí)體單元的建模要求，并考慮軸式吊耳的特殊結(jié)構(gòu)，采用Shell 62單元對(duì)有限元檢測(cè)模型進(jìn)行建立。在檢測(cè)模型的參數(shù)化過程中，結(jié)合solid 44實(shí)體單元進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，得到軸式吊耳的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合幾何造型建模法[9]，完成軸式吊耳局部應(yīng)力有限元檢測(cè)模型的構(gòu)建。

1.3 局部應(yīng)力檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述構(gòu)建的有限元檢測(cè)模型對(duì)軸式吊耳的局部應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)。軸式吊耳局部應(yīng)力檢測(cè)包括內(nèi)部應(yīng)力檢測(cè)與表面應(yīng)力檢測(cè)，利用有限元檢測(cè)模型進(jìn)行檢測(cè)不需要接觸軸式吊耳的工件表面，可以對(duì)局部應(yīng)力進(jìn)行大范圍測(cè)量，并且能夠清晰、直觀的反應(yīng)軸式吊耳的應(yīng)力集中現(xiàn)象以及對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行確定。給出軸式吊耳局部應(yīng)力檢測(cè)的整體流程如圖2。

圖2 軸式吊耳局部應(yīng)力檢測(cè)流程圖Fig.2 Flow chart of local stress detection for shaft lifting lug

利用軸式吊耳局部應(yīng)力有限元檢測(cè)模型對(duì)軸式吊耳的局部應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)，將有限元檢測(cè)模型放置在偏振光場(chǎng)內(nèi)，在需要檢測(cè)的部分粘貼上光彈性貼片，當(dāng)給有限元檢測(cè)模型加上載荷時(shí)，光彈性貼片上會(huì)對(duì)應(yīng)出現(xiàn)一些較為明顯的干涉條紋[10]。如果未出現(xiàn)明顯干涉條紋在直接結(jié)束檢測(cè)，反之出現(xiàn)了明顯干涉條紋則繼續(xù)后續(xù)處理。由于應(yīng)力值與這些干涉條紋成對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，通過對(duì)干涉條紋的數(shù)目進(jìn)行測(cè)量，即可確定受載荷狀態(tài)下軸式吊耳的局部應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)有限元檢測(cè)模型的應(yīng)力梯度越大時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)越密集的干涉條紋。利用這種方式，可以大面積對(duì)軸式吊耳局部應(yīng)力條紋圖像進(jìn)行顯示，因此，當(dāng)軸式吊耳受到的載荷情況較為多變以及構(gòu)件幾何形狀較為復(fù)雜時(shí)，都可以利用這種方法對(duì)軸式吊耳的局部應(yīng)力狀況進(jìn)行檢測(cè)。

2 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證所提軸式吊耳的局部應(yīng)力檢測(cè)方法的有效性和可行性，設(shè)計(jì)了一個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

選擇某軸式吊耳作為實(shí)驗(yàn)吊耳，對(duì)其進(jìn)行整體最大應(yīng)力值的測(cè)試與應(yīng)力值最大處的測(cè)定，發(fā)現(xiàn)其應(yīng)力值最大處位于吊耳管壁與井字內(nèi)筋板的輝接處，該處由于幾何不連續(xù)性而發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，而吊耳管壁外側(cè)的應(yīng)力值也較大，該處位于鋼絲繩接觸面與吊耳的中間區(qū)域，應(yīng)力分布也較為集中，分別對(duì)吊耳管壁與井字內(nèi)筋板的輝接處與吊耳管壁外側(cè)進(jìn)行局部應(yīng)力檢測(cè)。給出的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表3。

表3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.3 Experimental parameters

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

為了保證實(shí)驗(yàn)的有效性，使用基于參數(shù)化技術(shù)的吊耳局部應(yīng)力檢測(cè)方法、基于力學(xué)模型分析的吊耳局部應(yīng)力檢測(cè)方法與文章提出的軸式吊耳的局部應(yīng)力檢測(cè)方法進(jìn)行比較，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，比較各種方法的應(yīng)力檢測(cè)準(zhǔn)確度。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用基于參數(shù)化技術(shù)的吊耳局部應(yīng)力檢測(cè)方法、基于力學(xué)模型分析的吊耳局部應(yīng)力檢測(cè)方法、軸式吊耳的局部應(yīng)力檢測(cè)方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)軸式吊耳的吊耳管壁與井字內(nèi)筋板的輝接處、吊耳管壁外側(cè)進(jìn)行局部應(yīng)力檢測(cè)，其應(yīng)力檢測(cè)準(zhǔn)確度對(duì)比如圖3、圖4。

圖3 輝接處應(yīng)力檢測(cè)準(zhǔn)確度對(duì)比Fig.3 Accuracy comparison of stress measurement at glow joint

圖4 吊耳管壁外側(cè)應(yīng)力檢測(cè)準(zhǔn)確度對(duì)比Fig.4 Comparison of accuracy of stress detection on outside wall of lug tube

分析圖3得出，在吊耳管壁與井字內(nèi)筋板的輝接處，基于參數(shù)化技術(shù)的吊耳局部應(yīng)力檢測(cè)方法的應(yīng)力檢測(cè)準(zhǔn)確度為70.18%;基于力學(xué)模型分析的吊耳局部應(yīng)力檢測(cè)方法的應(yīng)力檢測(cè)準(zhǔn)確度為34.82%;軸式吊耳的局部應(yīng)力檢測(cè)方法的應(yīng)力檢測(cè)準(zhǔn)確度為96.11%。對(duì)比三種不同方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，所提的軸式吊耳局部應(yīng)力檢測(cè)方法的應(yīng)力檢測(cè)準(zhǔn)確度遠(yuǎn)高于前兩種方法的應(yīng)力檢測(cè)準(zhǔn)確度。

分析圖4可知，在吊耳管壁外側(cè)，基于參數(shù)化技術(shù)的吊耳局部應(yīng)力檢測(cè)方法的應(yīng)力檢測(cè)準(zhǔn)確度為67.21%;基于力學(xué)模型分析的吊耳局部應(yīng)力檢測(cè)方法的應(yīng)力檢測(cè)準(zhǔn)確度為29.42%;軸式吊耳的局部應(yīng)力檢測(cè)方法的應(yīng)力檢測(cè)準(zhǔn)確度為93.14%。通過比較可知，軸式吊耳的局部應(yīng)力檢測(cè)方法的應(yīng)力檢測(cè)準(zhǔn)確度最高。

綜合上述結(jié)果得出，所提的軸式吊耳局部應(yīng)力檢測(cè)方法的應(yīng)力檢測(cè)準(zhǔn)確度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，具有一定的有效性和可行性。

3 結(jié)束語

軸式吊耳局部應(yīng)力檢測(cè)方法通過軸式吊耳局部應(yīng)力有限元檢測(cè)模型的建立，實(shí)現(xiàn)了局部應(yīng)力的檢測(cè)，且局部應(yīng)力檢測(cè)準(zhǔn)確度高于傳統(tǒng)吊耳局部應(yīng)力檢測(cè)方法，該方法的提出對(duì)軸式吊耳局部應(yīng)力檢測(cè)領(lǐng)域具有很大意義。但該方法在應(yīng)力檢測(cè)效率方面尚且存在不足，未來將針對(duì)檢測(cè)效率問題進(jìn)行深入研究，致力于為吊裝安全技術(shù)的發(fā)展提供有效參考。