基于ANSYS Workbench的預(yù)制艙最優(yōu)起吊位置研究

王勇奎　殷帥兵　王哲　謝春洋

【摘 要】為得到預(yù)制艙的最優(yōu)起吊位置，使底座彎曲剛度最大，根據(jù)預(yù)制艙設(shè)計(jì)基本原理，運(yùn)用ANSYS Workbench仿真分析軟件對預(yù)制艙進(jìn)行吊裝工況下的仿真分析，得到預(yù)制艙底座變形云圖和最大值。通過對底座變形量進(jìn)行對比得到結(jié)論：起吊點(diǎn)位置越靠近兩端，底座中間變形量越大，端部變形量越??；起吊點(diǎn)位置越靠近中間，底座中間變形量越小，端部變形量越大。當(dāng)起吊軸位置布置合適時(shí)，底座端部變形和中間部位變形接近，從而整體最大變形量較小，底座整體彎曲剛度達(dá)到最大；仿真分析結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果趨于一致，驗(yàn)證了仿真分析結(jié)果的正確性和科學(xué)性。

【關(guān)鍵詞】預(yù)制艙；最優(yōu)起吊位置；彎曲剛度；ANSYS Workbench；仿真分析

中圖分類號： TM63 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）19-0032-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.19.013

Optimal Lifting Position Study of The Prefabricated Cabin Based on ANSYS Workbench

WANG Yong-kui YIN Shuai-bing WANG Zhe XIE Chun-yang

（XJ ELECTRIC CO.，LTD，Xuchang Henan，461000）

【Abstract】To obtain the optimal lifting position of prefabricated cabin and make the base bending stiffness maximum，based on the basic principle of prefabricated cabin design，using the simulation analysis software ANSYS Workbench，the prefabricated cabin is analyzed in hoisting working conditions，and maximum deformation and the deformation cloud chart of the prefabricated cabin are got.Through contrastive analyzing of deformation，draw the following conclusions.The closer the lifting location to both ends of the prefabricated cabin pedestal，the larger the deformation of the middle and the smaller of the ends.The closer the lifting location to the middle of the prefabricated cabin pedestal， the smaller the deformation of the middle and the larger of the both ends.When lifting position is optimal，deformation of the middle and the ends are approximate.In this case，the holistic deformation of the prefabricated cabin pedestal is smallest and the bending stiffness is largest.Besides，the simulation analysis results tend to be more consistent with the theoretical calculation results，which verifies the correctness and scientific of the simulation analysis results.

【Key words】Prefabricated Cabin；Optimal Lifting Position；Bending stiffness；ANSYS Workbench；Simulated analysis

0 前言

隨著中國基礎(chǔ)工程建設(shè)的快速推進(jìn)，智能化變電站建設(shè)量逐年增大，預(yù)制艙作為智能化變電站的基礎(chǔ)設(shè)備，需求量也日益增多。為了方便并排擺放，通常集裝箱形式的箱體的吊點(diǎn)一般設(shè)置在頂部的四個(gè)角處。而預(yù)制艙一般為單列單放，為了達(dá)到更好的剛度效果，一般將吊點(diǎn)設(shè)置在底座的適當(dāng)位置。

徐乃祥等對各類預(yù)制構(gòu)件在翻身、起吊、堆放時(shí)吊點(diǎn)和墊點(diǎn)的選擇進(jìn)行了研究，指出在設(shè)計(jì)文件指明吊點(diǎn)和墊點(diǎn)的情況下，應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)定吊點(diǎn)起吊，并按規(guī)定墊點(diǎn)支墊構(gòu)件，否則，很可能引起構(gòu)件產(chǎn)生過大的變形、開裂和損壞[1]。祖晨郁等介紹了吊索的種類及吊索安全工作載荷的計(jì)算，分析物體起吊時(shí)的穩(wěn)定性，一般常見物體的吊點(diǎn)位置的選取和起吊時(shí)的注意事項(xiàng)[2]。羅曉風(fēng)等用ANSYS軟件，選用三維大變形Beam188梁單元替代平面小變形Beam3梁單元，比較了Beam188梁單元的小變形及大變形計(jì)算方式，確定了優(yōu)化的起吊方式[3]。李端山等從理論上對管道吊裝的最佳吊點(diǎn)位置進(jìn)行了計(jì)算[4]。關(guān)玉明等介紹了一種基于Workbench優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行中心軸吊點(diǎn)位置選取的方法.對中心軸進(jìn)行受力分析，定義優(yōu)化變量，將整體變形、等效應(yīng)變和最大應(yīng)力作為目標(biāo)函數(shù)，基于Workbench的不斷迭代計(jì)算得出幾種優(yōu)化方案和目標(biāo)函數(shù)曲線圖，經(jīng)比較選出合適的方案，并對選取的方案做了進(jìn)一步的驗(yàn)證[5]。

但是，以上研究并沒有針對預(yù)制艙吊點(diǎn)位置的研究，本文依據(jù)預(yù)制艙設(shè)計(jì)基本原理，基于ANSYS Workbench仿真設(shè)計(jì)軟件[6]，結(jié)合河北連家莊預(yù)制艙進(jìn)行最優(yōu)吊點(diǎn)位置的探索研究，確定預(yù)制艙吊裝過程中的最佳位置選擇，并與理論計(jì)算結(jié)果作對比，從而驗(yàn)證仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 預(yù)制艙起吊方式介紹

根據(jù)不同變電站的個(gè)性化需求，預(yù)制艙有多種尺寸形式，一般常見的有長度尺寸為12200m、9000m、6000m等，寬度一般為2800mm，本文結(jié)合連家莊變電站用預(yù)制艙項(xiàng)目，以典型的12200預(yù)制艙為例來分析其吊點(diǎn)位置的選擇。

預(yù)制艙起吊組件由起吊軸、起吊軸套、擋圈和起吊板組成，如圖1所示。在預(yù)制艙起吊作業(yè)時(shí)，將起吊軸抽出來進(jìn)行起吊，擋圈用來避免起吊軸完全抽出。預(yù)制艙在非吊裝工況時(shí)起吊軸插進(jìn)去以免在外面影響通道的通過性。在底座H型鋼兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)起吊板的用來增大起吊軸作業(yè)時(shí)的力臂，使其能夠承受跟大的力。

通常情況下，預(yù)制艙采用雙側(cè)四點(diǎn)起吊，即在預(yù)制艙底座兩根縱梁上各設(shè)置兩個(gè)起吊點(diǎn)，如圖2和圖3所示。單側(cè)兩個(gè)吊點(diǎn)的位置采用對稱放置，吊點(diǎn)到預(yù)制艙端部的距離的不同，預(yù)制艙底座整體的剛度也不一樣。因此合理的設(shè)計(jì)和布置起吊軸可以提高底座整體的彎曲剛度。

2 仿真計(jì)算

基于Workbench軟件，以河北連家莊預(yù)制艙為例對起吊點(diǎn)在不同位置時(shí)底座的變形量進(jìn)行仿真分析計(jì)算，來研究吊點(diǎn)位置的選擇對預(yù)制艙底座彎曲剛度的影響。預(yù)制艙長12200mm、寬2800mm。如圖4所示，將預(yù)制艙各部分的載荷值換算成等效的應(yīng)力，對經(jīng)過處理之后的底座施加如圖所示的載荷，其具體數(shù)值如表1所示。

3 仿真結(jié)果分析

由于變形云圖中所顯示數(shù)據(jù)是每個(gè)點(diǎn)相對于其原位置的變化量，而起吊軸位置是固定的，因此我們?nèi)〉鬃v梁H型鋼中點(diǎn)和端部數(shù)據(jù)來進(jìn)行研究。根據(jù)以上分析結(jié)果，將底座縱梁H型鋼中點(diǎn)和端部變形量匯總于表2中。

根據(jù)表2可以看出，當(dāng)起吊軸位置距離端部距離S為2350mm時(shí)，底座中間變形明顯大于端部，最大變形量為5.1953mm，說明起吊點(diǎn)位置過于靠近兩端了；當(dāng)起吊軸位置距離端部距離S為2750mm時(shí)，最大變形量為4.9506mm，底座中間變形明顯小于端部，說明起吊點(diǎn)位置過于靠近中間了；取S為2350mm和2750mm中間的三種情況進(jìn)行分析，由表2可以看出，當(dāng)S=2600時(shí)，端部變形量和中間變形量最接近，最大變形量為3.5707mm，為五中情況中的最小。此時(shí)S值和預(yù)制艙總長度的比值為2600/12200=0.213。如果把預(yù)制艙看成一根等強(qiáng)度的圓管，則理論上其最優(yōu)起吊點(diǎn)的位置距離端部的距離與圓管總廠的比值為0.207[4]，本例中的0.213≈0.207，說明實(shí)際仿真結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果相符合。

比較表2中的五組數(shù)據(jù)可以看出，起吊點(diǎn)位置越靠近兩端，底座中間變形量越大，端部變形量越??；起吊點(diǎn)位置越靠近中間，底座中間變形量越小，端部變形量越大。由于無論中間部位變形量過大或是端部變形量過大，都會(huì)引起底座整體有較大的變形。因此，宜選擇合適的位置布置起吊軸，使得端部變形和中間變形接近，從而達(dá)到整體最大變形量最小，底座整體彎曲剛度最大。

在實(shí)際應(yīng)用中，大部分預(yù)制艙都采用四點(diǎn)起吊。單位為了增加安全系數(shù)，應(yīng)付不可預(yù)測的問題，一般在底座設(shè)置八個(gè)起吊點(diǎn)（每側(cè)四個(gè)），從而在不可預(yù)測的情況發(fā)生時(shí)同時(shí)起吊八個(gè)點(diǎn)，使得底座彎曲剛度更大。

4 結(jié)論

本文根據(jù)預(yù)制艙設(shè)計(jì)基本原理，結(jié)合河北連家莊預(yù)制艙底座結(jié)構(gòu)方案，運(yùn)用Workbench仿真分析軟件對預(yù)制艙四點(diǎn)吊裝工況下吊點(diǎn)的位置選擇進(jìn)行對比分析，得到了起吊軸在五種不同位置的情況下預(yù)制艙底座各部分變形的特點(diǎn)和具體數(shù)值。通過對五種情況下變形量的對比分析，可以得到，起吊點(diǎn)位置越靠近兩端，底座中間變形量越大，端部變形量越??；起吊點(diǎn)位置越靠近中間，底座中間變形量越小，端部變形量越大。當(dāng)起吊軸位置布置合適時(shí)，底座端部變形和中間部位變形接近，從而整體最大變形量較小，底座整體彎曲剛度達(dá)到最大。通過將仿真結(jié)果與理論結(jié)果的對比，得到仿真分析結(jié)果和理論結(jié)果趨于一致，從理論計(jì)算上驗(yàn)證了結(jié)果的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。

【參考文獻(xiàn)】

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[6]黃志新.ANSYS Workbench16.0超級學(xué)習(xí)手冊[M].北京：人民郵電出版社，2016.