船用吊環優化設計研究

趙文裕，王佳穎

（滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129）

0 引 言

在船體建造過程中部件、分段和總段都需要進行起重、吊運、移位、翻身及搭載等吊裝作業。而吊環是吊裝作業中不可或缺的重量局部受力構件，其應用極其廣泛。吊裝作業常常涉及大型結構物，一旦吊環發生危險將帶來嚴重事故。因此，保證船用吊環的安全可靠十分重要。

采用一套合理、安全、經濟、高效的吊環優化設計及其使用標準對于降低工人勞動強度，降低建造成本，提高生產效率，保障吊裝安全具有十分重要的意義。

1 吊環優化設計方法

由于總裝和分段制造場地眾多，各類吊環所具備的使用功能也各異。各吊車技術參數不同，配備的卸扣規格也不同，各場地翻身高度限制鋼絲繩可配長度也不同。這些因素都影響吊環的設計和使用。吊環結構設計的基本步驟，見圖 1。首先，在垂向載荷工況下吊環主體設計；其次，斜向受力條件下吊環肘板設計；最后完成吊環結構設計。

圖1 吊環設計基本步驟

吊環設計和使用中設計允許的傾斜角度是非常重要的指標。通過現場調研，在修訂的吊環標準中確定A、B型吊環最大傾斜受力角度為18°，C、Y型翻身用吊環的最大傾斜角度為10°。為了確?，F場作業的安全，又能減少材料損耗和修割打磨工作量。經過計算分析，確定了吊環結構優化的方法，主要有以下幾點：

1) 適當減小吊環的高度與寬度。吊環高度在保證具有足夠重復利用3次的前提下適當減小，在強度計算足夠的前提下適當減小吊環寬度。

2) 適當減小吊環主體厚度，增加腹板厚度以作補償。減小吊環外徑、主體厚度，增加腹板厚度，必要時將腹板單面改為雙面，來提高材料利用率。

3) 增加肘板高度，適當減小肘板寬度和厚度。增加肘板高度是為了減小吊環斜向受力時受力點到肘板約束的力臂，減小扭矩。通過適當減小肘板寬度和厚度，可提高肘板材料的利用率。

4) 適當減小各規格吊環孔徑。吊環孔徑過大，必須增加外徑來保證剪切面積，從而降低材料利用率；而孔徑過小會導致現場卸扣插銷匹配通用性不強。適當減小各規格吊環孔徑，可提高材料利用率。

5) 吊環下口加放40mm余量（原為50mm），作為重復使用的切割量。由于普遍腹板減小，其焊角也相應減小，因此割除吊環時的割除高度也略有減小。每只吊環可回收利用3次，下口余量40mm足夠兩刀割除量，有利于提高材料利用率。

6) 各型吊環的剪切安全系數控制在2.5倍左右。原有各型各規格吊環剪切安全系數有一定波動，優化設計后，將吊環剪切安全系數統一控制在2.5倍左右，有利于提高安全性。

7) 有限元強度分析。對優化設計后的吊環進行有限元強度分析，以確保吊環結構強度。

2 優化設計算例

以現標準中A30吊環為例，介紹優化計算方法。圖2為原吊環標準中的A30吊環結構圖。使用通用有限元軟件MSC.PATRAN，采用二維板單元對吊環結構進行有限元建模。

圖2 原吊環標準中A30吊環結構

采用有限元數值分析方法，計算其垂直受力和傾斜18°受力的工況，圖3給出了施加的載荷邊界。圖4給出了在垂直受力和傾斜 18°受力下的有限元計算應力云圖。在垂向受力工況下，吊環整體應力較小。在斜向18°受力工況下，吊環出現局部應力過大的現象。圖4(b)中高應力區域A為卸扣與吊環接觸處的厚板區域，在實際情況下產生局部塑性變形后有利于應力的分散[1]，雖然計算應力較大但實際上不會導致結構破壞。圖4(b)中高應力區域B的應力較大，形成明顯的大應力帶，不符合強度設計要求。由于吊環與卸扣接觸處與肘板最高處距離較大，斜向受力橫向較大，因此產生高應力區域B。而低應力區域發生在肘板端部和主體板兩端。

圖3 A30吊環受力工況

圖4 原吊環標準A30吊環受力應力云圖

通過對2010標準A30吊環的應力分析，對其結構形式進行優化設計。圖5 給出了A30吊環優化后的結構圖，具體優化措施如下：

1) 吊環高度由400mm減小至295mm；

2) 吊環寬度由500mm減小至400mm；

3) 肘板高度由180mm減小至145mm，寬度由200mm減小至110mm，外移10mm；

4) 肘板留根由50mm減小至40mm；

5) 孔徑由100mm減小至90mm；

6) 腹板從雙面兩塊16mm改為單面22mm。

圖6給出了A30吊環優化后的斜向受力應力云圖。原有的高應力區域B大應力帶消除，而原有的低應力區域依舊保持較低應力水平。優化設計的效果較為明顯。其它類型的吊環也采用類似的有限元強度分析方法進行校核分析。

圖5 吊環優化結構

圖6 優化設計后A30吊環斜向18°受力應力分布

3 新舊吊環的對比

按照吊環優化設計的原則和方法，對最為常用的A、B、C和Y型各個規格的吊環進行有限元建模，基于有限元分析進行優化設計，并對原有吊環標準進行了修訂。

表1對4型吊環（A、B、C和Y型）優化前后的吊環重量、結構性能和割除打磨工作量進行匯總比較。

表1 吊環優化結果匯總

圖7 試驗工裝裝配示意

4 模型試驗

為檢驗優化后吊環的結構安全性，驗證吊環結構設計和新標準對吊環受拉角度規定的合理性，選取優化設計后A、B、C和Y 4型18個常用規格的吊環。設計拉伸試驗工裝以模擬其斜向受力特性，進行拉伸試驗。其中C型吊環取出其肘板前端受力部分進行模擬。圖7為試驗工裝裝配示意圖。圖8為各型吊環拉伸試驗照片。試驗時，斜向拉伸角度規定：A型和B型均為18°，C型和Y型均為10°。拉伸載荷分步緩慢加載到額定載荷的1.8倍（考慮到現場受拉伸試驗的場地設備條件限制，根據有限元分析和吊環使用要求確定）后，保載一段時間后卸載觀察其變形情況。

圖8 吊環試驗工裝裝配示意

拉伸試驗的吊環試驗工裝在最不利的橫向受力角度下施加1.8倍額定載荷后均未發生變形，各型吊環的拉伸試驗結果見表2。通過拉伸試驗證明，吊環標準修訂所采用的強度分析方法是安全可靠的。

表2 吊環拉伸試驗結果

5 結 語

在吊環標準修訂過程中，重點考慮吊環結構的優化設計、工藝合理性、安全系數的統一和橫向受力角度進行量化規定等。小結如下：

1) 在吊環結構設計中采用了目前較為先進的有限元分析方法，在傳統設計方法上有所提高；

2) 對吊環在橫向受力角度進行了評估，在新標準中增加橫向受力角度的量化規定，提高現場吊裝作業安全性；

3) 對各型吊環安全系數進行合理統一，消除了C型吊環安全系數過小的隱患；

4) 通過優化結構，大幅減少吊環重量和修割打磨工作量，取得了良好的經濟效應；

5) 吊環標準修訂牽涉到造船工藝的革新，還將密切關注新型吊環在實際使用中的效果。

在吊環拉伸試驗過程中，由于試驗條件的限制未對其吊環結構進行應力監測。今后可采用非線性有限元方法先行計算模擬，在試驗拉伸過程中進行應力敏感區域的監測，可對吊環受力特性作更進一步研究。

[1] 肖文勇，佘 凱. 吊耳局部有限元建模技術分析[J]. 船舶工程, 2009, (31): 94-97.