風(fēng)機塔筒成型用吊梁的優(yōu)化仿真設(shè)計

胡學(xué)超，高 健

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古航天金崗重工有限公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010050）

0 引言

目前，隨著風(fēng)力發(fā)電建設(shè)的高速發(fā)展，兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組在全球商業(yè)運行中廣受關(guān)注，隨著高參數(shù)、大容量的風(fēng)電機組相繼投產(chǎn)，對風(fēng)力發(fā)電機的安裝也提出了更新、更高要求。塔筒是其重要組成部分——風(fēng)機的超大部件之一，車間在生產(chǎn)風(fēng)機塔筒的過程中，如何將其成型前長板料快速、高效、安全的吊裝顯得至關(guān)重要。塔筒板料長度為12～15 m，如果直接使用卡具或吊鉤方式吊板料長度方向中間位置，板料兩端由于重力作用呈現(xiàn)下塌現(xiàn)象，很容易對所吊板料下的另一張板料產(chǎn)生劃傷問題[1-3]。

為此，結(jié)合有限元分析軟件[4]，設(shè)計一種吊板料工裝來解決板料間劃傷問題。綜合實際使用情況設(shè)計了一種具有穩(wěn)定性、安全性、效率性的吊梁，來滿足兆瓦級風(fēng)機生產(chǎn)塔筒的吊裝要求：一方面通過分析，可以有效掌握吊梁使用的最大載荷；另一方面，配合鋼絲繩，可以在很大程度上解決板料長度方向下塌造成的板料間劃傷問題。這對風(fēng)機塔筒的板料吊裝及其后續(xù)的維修工作都具有實用價值及重要意義。

1 現(xiàn)有風(fēng)塔制作板料吊裝存在的不足

在風(fēng)塔的制造過程中，目前板料的吊裝方式有兩種：一種是采用磁力吸盤，雖然磁力吸盤可以很平穩(wěn)地吊裝板料，但是在吊裝過程中只有0.5 h 左右的斷電保護時間，保護時間過后存在一定的安全隱患；另一種方式是采用卡具或L 形吊鉤用以起吊板料，吊裝位置位于板料長度方向的中間位置，板料在自身重力的作用下兩端會下塌，極易劃傷所吊板料下的另一張板料。因此，結(jié)合卡具的防滑功能，加工一套吊梁可以有效降低板料劃傷問題。

2 系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)及要求

吊梁設(shè)計技術(shù)參數(shù)及功能要求在生產(chǎn)項目中普遍板料噸位前提下提出、依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)特殊要求基礎(chǔ)，通過相關(guān)分析，召集質(zhì)量技術(shù)部、生產(chǎn)部等部門進行評審，具體包括以下兩個方面的內(nèi)容。

（1）主要技術(shù)指標(biāo)。按照現(xiàn)階段所涉及的筒節(jié)最大厚度為36 mm，板料長13 200 mm、寬2500 mm，一張板料重量為9.32 t，所以要求所設(shè)計吊梁載荷能力10 t，所吊板料長度設(shè)計為15 m，吊梁長度設(shè)計為5～6 m。

（2）吊梁功能及要求：①吊梁的設(shè)計以可靠性、安全性、安裝可調(diào)性為原則；②吊梁結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)，吊耳強度必須滿足10 t 要求；③吊梁包括吊梁主體，槽鋼加強部分、U 形環(huán)，鋼絲繩等；④吊梁采用厚度為20 mm 的Q345 鋼板組焊而成，焊接牢固，焊后釋放應(yīng)力，并進行超聲檢測；⑤吊梁側(cè)面焊接槽鋼加強吊梁整體強度；⑥在吊梁外壁刷防銹層和黃色防腐層，并且標(biāo)注額定載荷。

3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

吊梁的主要構(gòu)成是主體、槽鋼、上吊耳加強板等構(gòu)成，上吊耳和下吊耳是主體板料直接排版下料，槽鋼焊接于主體板兩側(cè)，起加強作用，上吊耳位置兩側(cè)都加加強板用以提高上吊耳的使用強度要求（圖1）。

圖1 吊梁的系統(tǒng)構(gòu)成模型

3.2 吊梁設(shè)計狀態(tài)及加工情況

按照車間板料起吊轉(zhuǎn)運情況，吊梁通過U形環(huán)連接鋼絲繩掛于天車鉤，吊梁主體初期通過ABAQUS 有限元分析，分析過程中按照吊重10 t 計算，然后按照結(jié)構(gòu)圖制作加工工藝圖，車間焊接完成并現(xiàn)場試驗吊重10 t，試驗合格后擴大生產(chǎn)應(yīng)用到實際中。

3.3 吊梁設(shè)計特點及作用

車間吊梁是根據(jù)車間現(xiàn)有板料的長度、板料進行結(jié)構(gòu)強度設(shè)計，在上吊耳處進行加固整個吊梁。該方案有4 個特點：①通過大型有限元分析軟件進行強度分析；②解決了車間現(xiàn)有長板料在起吊與轉(zhuǎn)運過程中，長度方向下塌造成的板料間的劃傷問題；③解決了塔筒板料7000床、1250 床下料后板料下方清渣的方便性；④解決了板料上、下坡口工裝時的安全隱患。

4 車間吊梁設(shè)計說明

4.1 整體結(jié)構(gòu)

吊梁屬于軸對稱圖形，在建立有限元模型過程中，為了縮短計算機的運算量以及運算時間，本結(jié)構(gòu)采用建立1/2 軸對稱模型，長度方向為2.5 m，主體結(jié)構(gòu)寬度0.28 m，模擬過程中全部采用SI 單位制[5]。

4.2 材料屬性和截面屬性創(chuàng)建

材料選用Q345 鋼材，其中楊氏模量為210 000 MPa，泊松比μ=0.3。

4.3 有限元單元劃分

為了模擬更加結(jié)合實際使用情況，本模擬采用C3D8I（8 節(jié)點六面體線性非協(xié)調(diào)模式單元），共劃分1382 287 單元格。槽鋼、主體板料如圖2 所示。

圖2 有限元單元劃分

4.4 載荷、相關(guān)耦合創(chuàng)建

在實際使用過程中，為了更好地模擬實際吊耳的受力情況，上吊耳與天車吊鉤的鋼絲繩為2.0 m，模擬吊鉤點位于兩個上吊耳垂直平分線上。通過計算，天車吊鉤距離吊梁上端面的垂直距離為1.5 m，所以模型在軸對稱方向上垂直方向建立耦合點并與上吊耳耦合約束，下吊耳連接鋼絲繩2.5 m 使用過程中基本屬于豎直方向，本模擬采用下吊耳中心點為第二耦合點并與其下支耳耦合約束。載荷施加是固定上吊耳耦合點，下吊耳耦合點施加50 000 N 靜載載荷。

4.5 吊梁結(jié)果分析

計算結(jié)果如圖3 所示，從應(yīng)力云圖可以分析得出，吊梁的最大應(yīng)力為6.397×10-8Pa，位于下吊耳位置，但是通過云圖放大，明顯發(fā)現(xiàn)下吊耳超過材料屈服強度345 MPa 的部分占下吊耳寬度約1/10。另外，從吊梁的應(yīng)變云圖可以分析得出，吊梁兩側(cè)受載荷影響，變形為1.672×10-3m。

圖3 應(yīng)力、應(yīng)變云圖

4.6 吊梁現(xiàn)場試驗

根據(jù)模擬結(jié)果，生產(chǎn)一套風(fēng)機塔筒成型用吊梁進行驗證，試驗過程達到了預(yù)期設(shè)計指標(biāo)，并量產(chǎn)應(yīng)用于現(xiàn)場。

5 結(jié)論

風(fēng)機塔筒成型用車間吊梁通過優(yōu)化設(shè)計，解決了風(fēng)機塔筒板料長度方向下塌造成的板料間劃傷問題，提高了車間生產(chǎn)環(huán)節(jié)的產(chǎn)品質(zhì)量，增強了板料吊裝的平穩(wěn)性和安全性。另外，采用ABAQUS 大型有限元分析軟件對吊梁進行強度研究，實現(xiàn)10 t重量的吊裝，滿足現(xiàn)有風(fēng)機塔筒生產(chǎn)中板料的吊裝噸位，為試驗預(yù)研提供參考意義，現(xiàn)場實驗結(jié)果良好。