基于ANSYS的吊梁結構設計研究

摘 要：本文根據各大港口普遍存在的問題，專門設計一種用于起吊非標準集裝箱以及散貨的特種吊梁。在設計過程中，首先選擇一種最優的設計方案；其次利用INVENTOR三維軟件建模，利用ANSYS有限元分析軟件對該吊梁進行結構應力分析，從而最終設計出一種滿足設計載荷要求的吊梁；最后利用試驗的手段對所設計的吊梁進行載荷試驗測試，最終驗證了所設計的吊梁完全能滿足設計載荷要求。

關鍵詞：ANSYS；吊梁；設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.245

1 引言

隨著中國經濟的快速發展，許多港口、碼頭既得到了實惠但同時又接受著考驗。由于散貨形式的多樣性使得標準集裝箱吊具無法完成起吊的任務。為了能方便起吊所有的貨物，專門設計了一種用于起吊非標準集裝箱以及散貨的吊梁。眾所周知，梁結構是工程中一種比較常用的結構，尤其在起重機械、專用吊梁中最為常見。隨著材料科學和焊接工藝的發展，現代起重機械上的梁如岸橋主梁、場橋主梁朝著大跨度、輕型化和柔性化方向發展，這就對梁的結構設計提出了更高的要求，需要對梁結構的各種力學性能進行計算與分析，如靜態力學特性、強度、剛度與變形等。隨著計算機輔助技術方法的發展，用數值分析的方法進行此類問題的計算可以節省大量的人力、物力和時間。目前最為有效的數值分析方法是有限元法。ANSYS是大型通用有限元軟件，被廣泛應用于港口機械及起重運輸機械中，它具有強大的前處理及計算分析能力。

文中首先利用INVENTOR三維建模軟件建立吊梁的三維模型，之后利用ANSYS10.0對該吊梁分別在兩種連接方式下所受偏載工況進行有限元分析，得到了該吊梁分別在兩種工況下的變形及應力分析數據，經過反復多次優化，最終設計出符合要求的吊梁。在分析過程中，比較兩種連接方式下吊梁的變形和應力變化情況，并在符合吊梁設計使用等級的情況下分析吊梁的疲勞應力，從而使吊梁的設計更加合理。

2 總體方案設計

2.1 設計要求

根據吊梁的實際工況可知該吊梁須滿足以下要求：1.兩種連接方式，既能與上架連接又能與雙箱吊具連接；2.必須能進入船艙作業，因此該吊梁的外形尺寸不能超過40’集裝箱的外形尺寸12192mm×2438mm范圍；3.功能的多樣性，即必須具備10’、 15’、 25’、 30’、 35’和40’非標準集裝箱以及散貨的起吊能力；4.額定起重量60T及其他技術要求。

2.2 兩種方案的比較

根據要求可行的設計方案有兩種：雙梁結構和單根箱型梁結構。為此對兩種方案比較如下：a.雙梁結構。此種結構可以利用兩根工字鋼作為聯系梁從而增加梁的整體穩定性，但是由于多組吊耳的存在使得兩吊耳間的加強筋增加，從而增加了吊梁的重量；采用兩組箱型梁作為聯系梁使得吊梁的剛度非常富裕，既浪費了成本又增加了重量。b.單根箱型梁結構。箱形截面梁以其優良的力學特性——具有較大的剛度和強大的抗扭性能和結構簡單、受力明確、節省材料、架設安裝方便等諸多優點。采用單梁的箱型梁結構雖沒有采用雙根箱型梁結構的穩定性好，但是卻大大減少了重量，同時在符合設計要求的前提下穩定性足夠。為此選用單根箱型梁的結構。

3 有限元分析

3.1 三維模型的建立

結合設計要求，采用單根箱型梁的設計方案，利用INVENTOR軟件初步設計吊梁的三維模型。該吊梁主要由箱型主梁、箱型中間梁和箱型端梁組成，與上架相連時采用單板連接，與雙箱吊具相連時采用箱梁預留孔的連接方式。

3.2 有限元分析

從吊梁的設計要求可知，該吊梁有兩種連接方式即與上架連接和與雙箱吊具連接。與上架連接時，吊梁的最大工況相當于一個有四點支撐的簡支梁，最大載荷位于載荷為40‘吊耳處。與雙箱吊具連接時，吊梁的最大工況相當于一個有八點支撐的簡支梁，最大載荷位于25’吊耳處。

在此次分析過程中，首先定義線彈性結構材料的相關參數，如表1所示，利用workbench默認的網格類型，通過固定吊梁的四個上架吊耳，施加在40’吊耳位置處的偏載對此吊梁進行最大工況下的應力分析。

通過ANSYS軟件對吊梁兩種工況下的分析結果分比恩如下圖所示：

從上面的分析可知，與上架連接時最大應力出現在梁中部的上翼板處，最大應力為197.68MPa，吊耳處的最大應力為上架吊耳處145MPa。最大應變出現在梁的兩端且隨偏載的大小兩端的變形量有很大的變化。與雙箱吊具連接時最大應力出現在兩側轉銷的大約中部位置處，最大應力為107.58MPa，吊耳處的最大應力為25’吊耳處145MPa。最大應變出現在梁兩側轉銷的中部位置處且隨偏載的大小兩端的變形量有很大的變化。

為計算吊梁的疲勞應力，需要對梁進行許用疲勞應力計算，由吊梁的使用等級為8級，查BS 2573標準可知，吊梁的壽命為50萬次，許用疲勞應力為169MPa。由于與上架連接為最危險的工況，所以對吊梁下40’吊耳處施加153KN的載荷，利用ANSYS軟件計算如下。

由計算結構可知，最大應力為111.09，遠小于50萬次的許用應力169MP，所以此吊梁在許用壽命內應力足夠，完全符合設計要求。

4 試驗驗證

為驗證實際方案的可行性，對該吊梁進行150%的靜態載荷試驗。借助公司現有吊具靜載試驗平臺，通過制作相關試驗工裝包括利用8根雙箱吊具中部伸縮油缸作為起吊門架的動力，利用鋼絲繩、鋼絲繩夾等相關輔件固定吊梁，調整系統工作壓力到10MPa，對該吊梁進行出廠 驗證，從而驗證了該吊梁完全符合額定載荷150%的承載能力。

試驗結果表明，吊梁的設計符合設計的靜態載荷要求，滿足出廠的前提條件。

5 結論

本文結合當今碼頭存在的問題，專門設計了一種特種吊梁，使得一些非標準集裝箱以及散貨起吊成為可能，并且再次驗證了利用ANSYS有限元分析軟件能快速、準確的完成設計任務，使產品盡快的投入使用！

利用ANSYS進行吊梁的結構應力分析符合實際，吊梁的結構設計是合理的，強度設計是符合要求的。

參考文獻：

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