基于命令流的大型非標(biāo)吊耳的參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)

侯學(xué)綱 石福升 張文寧

中石油第二建設(shè)有限公司 甘肅蘭州 730060

根據(jù)《石油化工大型設(shè)備吊裝工程規(guī)范》GB50798- 2016，設(shè)備質(zhì)量大于（或等于）100t 或垂直高度大于（或等于）60m 的吊裝作業(yè)稱為大型設(shè)備吊裝，包括塔器、反應(yīng)器、模塊及構(gòu)件等設(shè)備。按照這個(gè)劃分標(biāo)準(zhǔn)，在每個(gè)煉油、石油化工的項(xiàng)目中，屬于大型設(shè)備的少則十幾臺，多則幾十臺。

由于非標(biāo)吊耳的普及，大大超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[1]中吊耳的類型與級別，各國都對吊耳的設(shè)計(jì)與評估提出了新的標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)外大型施工單位也進(jìn)行了基于Pro/ E 和Ansys 等有限元軟件分析。在吊耳研究上，國內(nèi)企業(yè)已形成吊耳解析校核與有限元分析相結(jié)合的設(shè)計(jì)與驗(yàn)算方法。然而，由于非標(biāo)吊耳的種類及形式復(fù)雜多變，并未完全形成通用統(tǒng)一的參數(shù)化軟件，難以將設(shè)計(jì)人員從重復(fù)性的建模分析過程中解放出來。

為此，筆者通過查閱文獻(xiàn)，對非標(biāo)吊耳進(jìn)行材料力學(xué)與有限元分析，最終為工程設(shè)計(jì)人員提供了材料力學(xué)計(jì)算與有限元分析計(jì)算兩種結(jié)果，使計(jì)算結(jié)果更為可靠。以非標(biāo)吊耳管軸式吊耳與吊蓋式吊耳為例，將模型參數(shù)化，以命令流的方式加載求解。比較計(jì)算結(jié)果對命令流文件調(diào)試，最終形成命令流文件，實(shí)現(xiàn)吊耳設(shè)計(jì)的自動化。重點(diǎn)對設(shè)計(jì)難度最大的吊蓋式吊耳詳細(xì)計(jì)算說明。另外，采用參數(shù)化的模型，使用ansys 的命令流文件確定吊耳的最佳方位。

1 管軸式吊耳材料力學(xué)與有限元參數(shù)化的計(jì)算

1.1 管軸式吊耳材料力學(xué)計(jì)算方法

管軸式吊耳的材料、筋板使用Q345A，［σ］=σs/ 1.6，［τ］=0.6［σ］，動載沖擊系數(shù)及多個(gè)吊耳吊裝時(shí)的不均性綜合影響系數(shù)K=1.65。

1.2 管軸式吊耳參數(shù)化有限元命令流計(jì)算

管軸式吊耳受力簡圖如圖1 所示。

圖1 管軸式吊耳受力簡圖

1.2.1 *set 命令定義吊耳變量參數(shù)

吊耳參數(shù)wj、nj、gh、cd 和zh 共計(jì)6 個(gè)。通過*set命令定義參數(shù)變量，例如*SET,gh,10 即定義吊耳管厚度變量參數(shù)gh=10。使用參數(shù)時(shí)，只需在命令中輸入?yún)?shù)名就可以。當(dāng)使用參數(shù)時(shí), ANSYS 將立刻把參數(shù)名換為參數(shù)的當(dāng)前值。

1.2.2 前處理模塊選擇

KEYW,PR_SET,1KEYW,PR_STRUC,1。

1.2.3 前處理

/ PREP7 進(jìn)入前處理；ET,1,BEAM188!設(shè)置單元類型BEAM188；MPTEMP,1,0！設(shè)定與溫度有關(guān)的材料屬性；MPDATA,EX,1,,2.1e5!材料參數(shù)，楊氏模量E=2.09E11；MPDATA,PRXY,1,,0.3!泊松比。

1.2.4 建模部分代碼

設(shè) 置 截 面 特 性 SECDATA,nj/ 2,wj/ 2,0,0,0,0,0,0,0,0 ；創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)K,1,,,,；K,2,cd,,,；LSTR, 1, 2。

1.2.5 網(wǎng)格劃分FLST,5,1,4,ORDE,1；FITEM,5,1；CM,_Y,LINE；LSEL, , , ,P51X；CM,_Y1,LINE；CMSEL,,_Y；LESIZE,_Y1, , ,10, , , , ,1；LMESH, 1。

1.2.6 進(jìn)入求解器施加約束，載荷

/ SOL；DK,P51X, , , ,0,ALL, , , , , ,；FK,P51X,FY,- zh。

1.2.7 求解

SOLU。

2 吊蓋式吊耳材料力學(xué)與有限元參數(shù)化的計(jì)算

對于反應(yīng)器、熱高壓分離器、冷低壓分離器等類設(shè)備，經(jīng)過焊后整體熱處理不允許在器壁上焊接吊耳，多采用設(shè)計(jì)一個(gè)與設(shè)備頂部法蘭相匹配的吊蓋式吊耳作為主吊點(diǎn)。吊蓋式吊耳未列入現(xiàn)有的吊耳規(guī)范中，因此需要單獨(dú)設(shè)計(jì)計(jì)算。吊蓋式吊耳的形式分別如圖2—4所示，根據(jù)不同的設(shè)備重量選擇不同的結(jié)構(gòu)形式。

圖2 單吊耳板圖

圖3 雙吊耳板圖

2.1 吊蓋式吊耳材料力學(xué)計(jì)算方法

以180 萬t/ a 催化汽油加氫裝置第一加氫脫硫反應(yīng)器0228- R- 201A 為例進(jìn)行說明。吊耳結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

材料選用16Mn 鋼板, 材料屈服極限σS=0.28 kN/ mm2, 取安全系數(shù)n=1.6, 則: 許用拉壓應(yīng)力[σ]=σS/ 1.6=0.175 kN/ mm2；許用剪切應(yīng)力[τ]=0.6[σ]=0.105 kN/ mm2，角焊縫系數(shù)φ 為0.7，[σ]焊縫=φ[σ]=0.123 kN/ mm2。根據(jù)有關(guān)參考資料[2],動載系統(tǒng)k=1.1～1.5，由于本次吊裝過程速度緩慢, 取k=1.3。

圖4 雙吊耳板軸式圖

如圖5 所示，取R=250mm，h=300，d1=150mm，f=R- d1/ 2=175mm，c=R- d1/ 2=175mm。如圖6 所示，取厚度t2=120mm。由設(shè)備圖0228- R- 201A 可知，在圖7 中：

圖5 異戊二烯萃取精餾塔A 吊裝圖

圖5 吊耳結(jié)構(gòu)圖

圖6 吊耳結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

2.1.1 設(shè)備呈臥態(tài)時(shí)校核

設(shè)備呈臥態(tài)時(shí)如圖7 所示，C- C 截面彎曲應(yīng)力計(jì)算如下:

圖7 臥態(tài)時(shí)吊耳受力圖（a）和整體受力圖（b）

2.2 吊蓋法蘭蓋板校核

2.2.1 設(shè)備呈臥態(tài)時(shí)校核

2.2.2 設(shè)備呈立態(tài)時(shí)校核

故上述吊蓋法蘭蓋板滿足要求。

2.3 吊蓋緊固螺栓的強(qiáng)度校核

故上述吊蓋緊固螺栓滿足要求。

圖8 立態(tài)時(shí)整體受力圖

2.4 吊蓋式吊參數(shù)化有限元命令流計(jì)算

以最為復(fù)雜、計(jì)算難度最大的雙吊耳板吊蓋式吊耳為例進(jìn)行說明，由于篇幅原因部分命令流文件省略。

2.4.1 *set 命令定義吊耳變量參數(shù)

吊耳參數(shù)kjd、c 等共計(jì)6 個(gè)。*SET,kjd,200。

2.4.2 前處理模塊選擇

KEYW,PR_SET,1；KEYW,PR_STRUC,1。

2.4.3 前處理

/ PREP7；FLST,2,2,8；FITEM,2,r,0,0；

FITEM,2,2*r,0,0；FLST,2,2,8；FITEM,2,r,0,0。

2.4.4 設(shè)置單元類型及材料屬性

ET,1,SOLID45；MPTEMP,,,,,,,,；MPTEMP,1,0；MPDATA,EX,1,,2.1e5；MPDATA,PRXY,1,,0.33。

2.4.5 網(wǎng)格劃分

TYPE,1；MAT,1；REAL,ESYS,0；SECNUM,!*MSHAPE,1,3D；MSHKEY,0。

2.4.6 施加約束、載荷/ SOL；DL,P51X,,ALL；SFA,P51X,1,PRES,zh/ 2/ (3.14*kjd/ 4)/ hd。

2.4.7 求解

SOLU。

2.4.8 吊耳的受力分析

根據(jù)吊耳有限元分析命令流生成的GUI，如圖9所示。

圖9 吊耳的設(shè)計(jì)有受力分析步驟

通過上述9 個(gè)步驟完成吊耳的設(shè)計(jì)受力分析。計(jì)算生成的命令流文件編輯和修改都非常方便。通常反應(yīng)器的規(guī)格型號、重量不同、吊耳使用的材質(zhì)不同，吊耳的尺寸不同，傳統(tǒng)的方法需要重新建模。但在命令流文件中只需修改幾個(gè)相關(guān)參數(shù)重新運(yùn)行ansys 即可，大大提高了工作效率。

2.4.9 計(jì)算結(jié)果分析

比較ansys 計(jì)算結(jié)果與手工計(jì)算結(jié)果。檢查命令流是否有錯誤，是否有較大的誤差。經(jīng)過調(diào)試、修改、編輯，最終生成正確的命令流文件。

2.4.10 吊耳設(shè)計(jì)圖出圖

根據(jù)有限元計(jì)算分析，導(dǎo)出設(shè)置的參數(shù)值。在設(shè)計(jì)圖形中標(biāo)注便可形成設(shè)計(jì)圖，完成吊耳的設(shè)計(jì)。

2.5 吊蓋式吊耳材料力學(xué)計(jì)算與命令流參數(shù)化的計(jì)算對比

如圖10—13 所示，計(jì)算最大應(yīng)力為立態(tài)時(shí)A- A截面的剪切應(yīng)力200MPa，立態(tài)時(shí)法蘭蓋板的彎曲應(yīng)力為194.37MPa。最大應(yīng)力發(fā)生在A- A 截面與吊耳板處。

圖10 臥態(tài)時(shí)吊耳板受力計(jì)算

如圖14 所示，有限元計(jì)算的結(jié)果最大應(yīng)力為183.5MPa，最大應(yīng)力在吊耳板孔內(nèi)側(cè)。

圖11 立態(tài)時(shí)吊耳板受力計(jì)算

圖12 臥態(tài)時(shí)法蘭蓋板受力計(jì)算

圖13 立態(tài)時(shí)法蘭蓋板受力計(jì)算

圖14 有限元計(jì)算的應(yīng)力分布圖

Ansys 計(jì)算的結(jié)果比材料力學(xué)計(jì)算的結(jié)果小，兩者誤差為8.3%，在可以接受的范圍內(nèi)。引起誤差的原因是材料力學(xué)簡化的力學(xué)模型較為保守，所以計(jì)算的結(jié)果稍大。通過比較，進(jìn)一步驗(yàn)證本文命令流文件計(jì)算的正確性。

3 結(jié)論

目前國內(nèi)外大噸位吊車已達(dá)到3000t 以上（徐工XCG88000 型4000t，為全球最大），液壓提升/ 頂升系統(tǒng)達(dá)到了6400t，吊裝技術(shù)也隨之發(fā)展壯大。隨著非標(biāo)吊耳大量出現(xiàn)，現(xiàn)有的規(guī)范已不能滿足吊裝技術(shù)的要求。非標(biāo)吊耳采用常規(guī)的計(jì)算方法有一定的局限性，使用ANSYS 有限元分析軟件常規(guī)方法繁雜且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。本文通過使用ANSYS 的二次開發(fā)，針對管軸式吊耳與吊蓋式吊耳的參數(shù)化建模與設(shè)計(jì)，形成了吊耳設(shè)計(jì)專業(yè)的命令流文件。同時(shí)以理論計(jì)算為基礎(chǔ)與有限元計(jì)算的方法進(jìn)行對比，提高了命令流文件計(jì)算的可靠性。

主要工作成果如下：

（1）依據(jù)相應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，對管軸式吊耳進(jìn)行了力學(xué)分析，提供管軸式吊耳力學(xué)計(jì)算方法；

（2）管軸式吊耳參數(shù)化建模分析，形成了命令流文件；

（3）參考相關(guān)文獻(xiàn)提供了吊蓋式吊耳設(shè)計(jì)分析的理論計(jì)算方法；

（4）對吊蓋式吊耳參數(shù)化，構(gòu)建參數(shù)化有限元模型，實(shí)現(xiàn)自動化設(shè)計(jì)的命令流文件。通過計(jì)算實(shí)例對比，證明了有限元計(jì)算的優(yōu)勢，為實(shí)際設(shè)計(jì)提供了計(jì)算手段與依據(jù)。