有限元分析在吊耳設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

景 玉，黃 勇，毛立青

中國(guó)石油第六建設(shè)有限公司，廣西桂林 541004

吊裝施工中，管軸吊耳的選型有兩種：一種是在吊耳規(guī)范中選擇，此法經(jīng)常導(dǎo)致材料的浪費(fèi)，增加成本；另一種是工程師根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)吊耳，通過(guò)簡(jiǎn)單的靜力學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算校核，但計(jì)算結(jié)果只能反映管軸吊耳的平均受力情況，無(wú)法分析出管軸吊耳中應(yīng)力集中區(qū)域、最大應(yīng)力值以及結(jié)構(gòu)是否合理，也無(wú)法建立動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)。本文應(yīng)用有限元法分析不同結(jié)構(gòu)的管軸吊耳在同等條件下的應(yīng)力變化情況，分析得出不同結(jié)構(gòu)中最具有實(shí)用性的管軸吊耳。

1 工程概況

2020年8月，某項(xiàng)目乙烯裝置中急冷水塔的附塔管道需要吊裝就位，管道材質(zhì)為Q345，規(guī)格為D1 800 mm×30 mm×37 800 mm，總質(zhì)量51.2 t。在吊裝過(guò)程中，立式管道需要使用單機(jī)起吊單機(jī)溜送法進(jìn)行吊裝，管道起吊受力分析見(jiàn)圖1。管軸吊耳距管端500 mm，板式吊耳距管端350 mm，本文對(duì)管軸吊耳進(jìn)行分析。

圖1 管道起吊過(guò)程中受力分析

根據(jù)管道的幾何尺寸和重量，設(shè)計(jì)AXB-40 t（管軸內(nèi)部焊接有十字筋板） 管軸吊耳[1]，采用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)校核，吊裝綜合系數(shù)取1.35（動(dòng)載系數(shù)與不平衡系數(shù)的乘積），管軸吊耳參數(shù)見(jiàn)圖2，最大應(yīng)力分布見(jiàn)圖3。

圖2 AXB管軸吊耳設(shè)計(jì)示意

圖3 AXB管軸吊耳最大應(yīng)力分布

2 有限元分析

2.1 導(dǎo)入模型

通過(guò)DM三維建模軟件對(duì)吊耳進(jìn)行幾何建模（見(jiàn)圖4），模型材料定義為Q235-B高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。

圖4 AXB管軸吊耳幾何建模

2.2 網(wǎng)格劃分

將模型導(dǎo)入軟件中，對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用solid185四面體網(wǎng)格單元，對(duì)焊縫區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密，加密區(qū)域網(wǎng)格單元尺寸為2 mm，其余的網(wǎng)格單元尺寸為8 mm，劃分的網(wǎng)格總數(shù)為187 272個(gè)，劃分結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 AXB管軸吊耳的網(wǎng)格劃分

2.3 邊界條件加載

通過(guò)對(duì)管軸吊耳的受力分析，力的加載規(guī)律為正弦變化，管軸吊耳在實(shí)際吊裝過(guò)程中受力從底部向兩側(cè)遞減，加載函數(shù)為sin（3.14 t）×345 600 N，t為時(shí)間，加載過(guò)程由程序自動(dòng)控制，起始時(shí)間0 s，結(jié)束時(shí)間1 s，力的方向是沿著管軸的徑向方向[3]。圖6為管軸吊耳的載荷加載模型。

圖6 AXB管軸吊耳的載荷加載模型

2.4 后處理

2.4.1 焊縫處應(yīng)力分布

管軸吊耳受力變化曲線(xiàn)如圖7所示。從圖7可以看出，當(dāng)管道與水平面夾角為90°時(shí)，吊耳受力最大，且吊耳根部受力大于側(cè)壁受力。

圖7 AXB管軸吊耳最大應(yīng)力變化曲線(xiàn)

管道與水平面夾角為90°時(shí)，管軸吊耳底部焊縫處應(yīng)力云圖見(jiàn)圖8。此時(shí)管軸吊耳底部最大等效應(yīng)力為177.86 MPa，小于屈服強(qiáng)度（235 MPa），表明管軸吊耳滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

圖8 管道與水平面夾角為90°時(shí)AXB管軸吊耳底部焊縫處應(yīng)力云圖/MPa

2.4.2 管軸吊耳變形分布云圖

管軸吊耳的變形云圖見(jiàn)圖9。從圖9可以看出，最大變形量為0.115 73 mm，集中在吊耳側(cè)壁。主要是因載荷直接作用在管軸側(cè)壁區(qū)域。

圖9 AXB管軸吊耳的變形云圖/mm

吊耳底部所受拉力較大，因此在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)著重檢查材料是否存在缺陷，如孔洞、裂紋等，焊縫的厚度必需達(dá)到要求，保證吊裝施工的安全性[4]。

管軸吊耳安全系數(shù)云圖見(jiàn)圖10，從圖中可以看出，安全系數(shù)均在1.348 7以上，存在較大的安全余量。

圖10 AXB管軸吊耳安全系數(shù)云圖

綜上所述，AXB型管軸吊耳的應(yīng)力值、應(yīng)變值均比許用值小很多，說(shuō)明AXB型管軸吊耳的設(shè)計(jì)安全余量偏大，可對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)AXB型管軸吊耳的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，除去其中的十字加強(qiáng)筋板，變?yōu)锳XA型吊耳（無(wú)筋板）。優(yōu)化后的AXA型吊耳需保證無(wú)筋板的結(jié)構(gòu)下最大應(yīng)力值仍滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

3.1 受力分析

除無(wú)筋板外，AXA吊耳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)與AXB管軸吊耳相同，受力分析見(jiàn)圖11。

圖11 AXA吊耳的受力分析

3.2 有限元分析

通過(guò)DM軟件對(duì)原三維模型進(jìn)行修改，將模型重新載入軟件中進(jìn)行分析計(jì)算，分析最大等效應(yīng)力、應(yīng)變、安全系數(shù)。

優(yōu)化后的吊耳受力變化曲線(xiàn)與優(yōu)化前的類(lèi)同，當(dāng)管道與水平面夾角為90°時(shí)，吊耳受力最大，且吊耳根部受力大于側(cè)壁受力，此時(shí)吊耳底部焊縫處應(yīng)力云圖見(jiàn)圖12，最大應(yīng)力183.49 MPa，小于屈服強(qiáng)度（235 MPa），表明AXA吊耳滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

圖12 管道與水平面夾角為90°時(shí)AXA吊耳底部焊縫處應(yīng)力云圖/MPa

管軸吊耳的變形云圖見(jiàn)圖13，最大變形量為0.115 32 mm，集中在吊耳側(cè)壁。

圖13 AXA吊耳的變形云圖/mm

管軸吊耳安全系數(shù)云圖見(jiàn)圖14，從圖中可以看出，安全系數(shù)均在1.280 7以上，存在安全余量。

圖14 AXA吊耳安全系數(shù)云圖

根據(jù)上述分析結(jié)果可知，優(yōu)化后的AXA吊耳滿(mǎn)足要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用優(yōu)化的AXA吊耳，順利完成了后續(xù)中小型管道的吊裝施工，節(jié)省了材料，降低了生產(chǎn)成本。