偏心模塊吊裝吊點(diǎn)受力的計(jì)算方法研究

摘要：對(duì)異形模塊進(jìn)行偏心吊載時(shí)，根據(jù)模塊的組成結(jié)構(gòu)及重心位置布置吊點(diǎn)，并采用逐級(jí)分解的方法對(duì)每個(gè)吊點(diǎn)進(jìn)行靜力。同時(shí)，利用有限元軟件模擬吊具偏心吊載，對(duì)逐級(jí)分解法結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：對(duì)于多級(jí)吊梁多吊點(diǎn)的吊裝，采取逐級(jí)分解法分析吊點(diǎn)受力較為便捷，有效提高了工作效率，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間，可為其他吊裝中吊具設(shè)計(jì)和吊點(diǎn)布置優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：偏心吊載；多吊點(diǎn)；逐級(jí)分解；吊點(diǎn)受力；有限元分析

0 引言

在我國(guó)核電、海工、石油化工等領(lǐng)域建設(shè)過(guò)程中，需要對(duì)各種模塊進(jìn)行吊裝。在模塊吊裝過(guò)程中，其重心位置會(huì)影響吊具設(shè)計(jì)與吊點(diǎn)布置，以及索具選型和吊梁的設(shè)計(jì)。對(duì)于簡(jiǎn)單的模塊可以通過(guò)有限元等軟件實(shí)體建模的方式，提取各個(gè)吊點(diǎn)的受力。而對(duì)于復(fù)雜的模塊進(jìn)行實(shí)體建模，將會(huì)帶來(lái)很多的工作量，并且在吊點(diǎn)位置調(diào)整時(shí)，對(duì)模型處理極為不便，將大大延長(zhǎng)提取有效結(jié)果時(shí)間，增大設(shè)計(jì)成本[1-2]。

本文以一種具有8個(gè)吊點(diǎn)的異形模塊為例，采用一種在偏心的情況下多個(gè)吊點(diǎn)受力分析的方法，不需要對(duì)模塊進(jìn)行建模。通過(guò)解析計(jì)算，根據(jù)吊點(diǎn)尺寸位置，直接提取各個(gè)吊點(diǎn)受力，為吊具設(shè)計(jì)、索具選型、吊點(diǎn)布置優(yōu)化提供了有利依據(jù)，大大提高了工作效率，節(jié)約了成本。

1 模塊吊點(diǎn)布置

該異形模塊的組成結(jié)構(gòu)及重心位置為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，模塊自重為820t。根據(jù)模塊結(jié)構(gòu)及吊具設(shè)計(jì)要求，在模塊重心兩側(cè)分別布置4個(gè)吊點(diǎn)，且吊點(diǎn)間距各不相同。吊點(diǎn)布置及重心位置如圖1所示。

2 逐級(jí)分解吊點(diǎn)受力

2.1 吊梁布置與結(jié)構(gòu)

由圖1可知，該模塊共布置了8個(gè)吊點(diǎn)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，吊具設(shè)計(jì)采用多級(jí)梁的方式。為了保證各個(gè)吊梁受力的平衡性，吊具采用三級(jí)梁形式，吊具形式如圖2所示。

由圖2可知，吊裝設(shè)備的主吊鉤連接點(diǎn)位于模塊重心位置，一級(jí)梁兩端各布置一個(gè)二級(jí)梁，每個(gè)二級(jí)梁兩端各布置一個(gè)三級(jí)梁，三級(jí)梁下方通過(guò)可調(diào)索具連接模塊吊耳。各級(jí)梁的左右受力點(diǎn)距離中部鉸點(diǎn)均為非對(duì)稱形式，一級(jí)梁與二級(jí)梁之間、二級(jí)梁與三級(jí)梁之間均采用拉桿連接，且連接方式為鉸接，在垂直于梁的長(zhǎng)度方向的豎直平面內(nèi)具有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

2.2 吊梁受力分解與計(jì)算

采用逐級(jí)分解法分析各個(gè)吊點(diǎn)的受力情況。在計(jì)算各個(gè)吊點(diǎn)受力時(shí)，忽略吊梁及索具本身自重。

根據(jù)吊具布置形式，對(duì)吊具各個(gè)橫梁進(jìn)行逐級(jí)分析，將吊梁分組。一級(jí)梁布置如圖3所示，重心上方為A組橫梁，重心下方為B組橫梁。對(duì)一級(jí)梁進(jìn)行受力分析，根據(jù)力矩平衡分別求出A組橫梁和B組橫梁受力情況[3-4]。

A組橫梁受力FA計(jì)算如下：

（1）

式中：G為模塊自重，G=820t；La、Lb分別為A、B組吊梁到模塊重心（主吊鉤）距離，La取3201m，Lb取4953m。

B組橫梁受力FB計(jì)算如下：

FB=G-FA=820×9.8-4881=3155kN （2）

分別對(duì)A組橫梁和B組橫梁進(jìn)行獨(dú)立分析。以A組橫梁為例，分析A組橫梁中的二級(jí)梁和三級(jí)梁的受力。A組橫梁布置如圖4所示。

A組二級(jí)梁左端受力FAL2計(jì)算如下：

（3）

式中：L1、L2分別為A組二級(jí)梁左端、右端到橫梁中部鉸點(diǎn)距離，L1=3735mm、L2=3440mm。

A組二級(jí)梁右端受力FAR2計(jì)算如下：

FAR2=FA-FAL2=4881-2340=2541kN （4）

根據(jù)A組二級(jí)梁左端受力，再分別求得該處三級(jí)梁左右兩端受力，即吊點(diǎn)1和吊點(diǎn)2受力。

吊點(diǎn)1受力F1計(jì)算如下：

（5）

式中：L3、L4分別為吊點(diǎn)1、2到A組左側(cè)三級(jí)梁中部鉸點(diǎn)距離，L3=1772mm、L4=1886mm。

吊點(diǎn)2受力F2計(jì)算如下：

F2=FAL2-F1=2340-1206=1134kN （6）

根據(jù)A組二級(jí)梁右端受力，再分別求得該處三級(jí)梁左右兩端受力，即吊點(diǎn)3和吊點(diǎn)4受力。

吊點(diǎn)3受力F3計(jì)算如下：

（7）

式（7）中：L5、L6分別為吊點(diǎn)1、2到A組左側(cè)三級(jí)梁中部鉸點(diǎn)距離，L5=1682mm、L6=1823mm。

吊點(diǎn)4受力F4計(jì)算如下：

F4=FAR2-F3=2541-1322=1219kN （8）

同理，按照以上方法求得全部吊點(diǎn)受力情況如表1所示。

3 有限元分析驗(yàn)證

為了驗(yàn)證偏心吊裝逐級(jí)分解吊點(diǎn)受力的準(zhǔn)確性，本文采用有限分析法進(jìn)行分析驗(yàn)證。對(duì)吊具梁和模塊進(jìn)行簡(jiǎn)易建模，建模時(shí)的模塊的重心位置和各級(jí)吊梁的設(shè)計(jì)尺寸均與逐級(jí)分析法一致。

各級(jí)吊梁及索具間采用耦合和施加約束的方式模擬實(shí)際連接，各級(jí)吊梁與拉桿之間放開相對(duì)旋轉(zhuǎn)自由度。模塊采用shell單元建模，各級(jí)吊梁和拉桿采用beam單元建模，與模塊吊耳連接的索具采用link單元建模。吊裝示意如圖5所示。

經(jīng)過(guò)有限元分析計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的吊點(diǎn)受力，與逐級(jí)分解法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。

由表2分析可知，逐級(jí)分解法與有限元分析計(jì)算結(jié)果的最大差值比為-1.90%，考慮建模誤差以及逐級(jí)分解法對(duì)吊梁自重的忽略，兩者結(jié)果基本一致。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于多級(jí)吊梁多吊點(diǎn)的吊裝，可采取逐級(jí)分解法分析吊點(diǎn)受力較為便捷。尤其對(duì)異形偏心結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模塊吊裝，可以采用逐級(jí)分解法計(jì)算求得的吊點(diǎn)受力，以此進(jìn)行吊耳、吊具的設(shè)計(jì)以及吊點(diǎn)布置優(yōu)化。通過(guò)此辦法，避免了通過(guò)建模方式分析復(fù)雜模塊吊點(diǎn)受力情況，有效提高了工作效率，縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，可為其他吊裝中吊具設(shè)計(jì)和吊點(diǎn)布置優(yōu)化提供參考。

參考文獻(xiàn)

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