有限元分析在吊排結構中的應用研究

劉彥培

（巨力索具股份有限公司技術中心，河北 保定 072550）

有限元分析在吊排結構中的應用研究

劉彥培

（巨力索具股份有限公司技術中心，河北 保定 072550）

隨著現代工業化的快速發展，越來越多的工業設備、船廠制造、維修船舶，超高、超重、超大，主要是起吊不同船體分段。為了使吊裝變得簡化、實用，吊排在專用吊具中作用十分關鍵。吊排的強度校核變得尤為重要及繁瑣，針對此類吊具的使用形式與方法，可以采用有限元進行各個截面及部位的分析，使得吊排的計算簡便，吊排的計算更加準確安全。文章就有限元分析在吊排結構中的應用展開了論述。

吊排；多吊點；有限元；傾斜角度吊具；安全；方便校核

首先，我們來通過案例來探討有限元分析在吊排結構中的應用。以青島武船重工公司采購的200t分段船體吊排為例（見圖1）。

圖1 青島武船重工公司200t分段船體吊排平面圖

如果對吊排整體進行計算公式的強度計算，必定有不能計算的部位或有計算結果不準確的數值?，F采用有限元對梁體進行分析為例，其他部件類同。結果如下：

1 課題目的

應用有限元方法對200t吊排，進行工作狀態下靜力分析，得到吊排撓度、應力、應變結果。

2 200t吊排數值模型的建立

2.1 簡化原則

200t吊排主要由梁體、吊攀、銷軸組件、滑車、卸扣等組成。而吊排結構比較復雜，部件繁多。因此，從有限元分析目的及實際情況出發，認真分析吊排結構的強度、剛度和穩定性，忽略其他因素。在吊排真實受力情況下，對其進行了合理地簡化，主要包括：由于本計算主要關心200t吊排的受力狀態，故忽略壓制鋼絲繩索具、滑車、卸扣等，只建立梁體的有限元模型；并將吊攀、吊板、滑車和銷軸分別單獨作受力計算。

2.2 材料模型

材料本構模型，是描述材料在外力作用下表現出來的力學行為，即應力應變關系，主要指標包括彈性模量、泊松比、屈服強度和破壞強度。吊排的梁體主要制作材料為Q460D，部分板材為Q345B。本計算中的梁體受力過程處于彈性范圍，故用彈性性質描述吊排在荷載下的力學行為，各項參數保守選取，其材料參數見表1。

表1 材料參數

3 200噸吊排的靜力分析

3.1 計算模型

根據圖紙進行建模（部分焊道根據經驗設計），具體單元信息（見表2）。

表2 吊排單元信息

模型部分構件形狀不規則，主要有梁體、耳板、貼板、上翼板、下翼板、筋板組成。建立的模型圖、剖面圖以及局部細化圖（見圖2）。

模擬、分析梁體在額定載荷下的結構應力，有限元計算模型（見圖3）。

圖2 吊排幾何模型

圖3 吊排有限元計算模型

3.2 工況荷載

吊排的額定荷載為200t，通過十二個滑車下的壓制鋼絲繩索具起吊重物，忽略滑車和鋼絲繩索具，直接在梁體的銷軸安裝孔處建立模擬單元。

工況一，梁體中間六個滑車起吊，每個滑車的承載力為30t。在受力滑車對應的定滑輪軸孔處及索具軸孔處建立模擬單元，考慮梁體及附件的自重，施加的總的荷載為190t，即1862kN。

3.3 計算結果及分析

（1）Mises等效應力。在實體結構中，結構處于三維應力狀態，應力分布要復雜得多，不能僅用單一方向上的應力分量來判斷結構此處的狀態，需要根據強度理論進行判斷。

（2）工況一計算結果云圖。吊排主體材料Q460D的屈服強度為460MPa。在上述工況荷載下，吊排的最大應力（von mises 等效應力）值為222.1MPa，且最大值出現在梁體與吊板連接的吊板軸孔處加載部位的邊緣（圖中紅色部分）（見圖4）。

（3）工況一結果分析。①吊排材料的屈服強度460MPa，吊排的最大von mises等效應力值為222.1MPa，而且最大值出現在梁體與吊板連接的吊板軸孔處加載部位的邊緣，隱藏該部分受力情況，梁體大部分材料的最大應力（von mises 等效應力）值都小于136.6MPa，未達到材料的屈服強度460MPa。②吊排最大應變為0.0009166，最大應變位置與最大應力位置一致。③吊排最大撓度出現在梁體中部，最大值為7.244mm。

圖4 吊排von mises 等效應力云圖

4 結束語

通過對結構復雜的吊排，多工況使用形式的吊排中適應性更強、安全性更高，達到非常好的效果。此次案例的研究和分析為同類產品的設計和開發提供了參考價值。

[1]機械設計手冊[M].北京:機械工業出版社,2004.

[2]梁式吊具[S].GB/T26079-2010.

[3]張質文,虞和謙,王金諾,等.起重機設計手冊[M].北京:中國鐵道出版社,1997.

[4]低合金高強度結構鋼[S].GB/T1591-2008.

O242.21

A

1671-3818（2016）04-0053-02

劉彥培（1986-）男，河北保定人，助理工程師，研究方向：梁式吊具。