基于ANSYS的可調吊梁設計

□方勇

中國船舶重工集團公司第七一○研究所 湖北宜昌 443003

吊梁作為常用的起重部件，在各個行業得到了廣泛應用。由于吊梁形狀不規則，在設計過程中采用人工計算結構強度的方法，工作量大，計算精度較低［1］，在實際生產中，難以保證合適的安全系數。隨著計算機的普及和有限元方法在工程中的應用，利用有限元方法進行分析，不但提高了計算精度，而且還減少了計算量［2］。

本文設計了一種新型的可調吊梁，可通過調整掛載孔位置來適應質心不同的多種設備吊裝，采用有限元分析軟件ANSYS對可調吊梁進行了強度分析和計算，通過建立合理的有限元模型，得到了應力和變形狀態，并通過加載試驗對可調吊梁強度進行了驗證，保證了使用的安全性和可靠性。

1 可調吊梁的分析設計

1.1 可調吊梁主體的基本參數

可調吊梁正視圖及側視圖見圖1、圖2。

可調吊梁的主體參數為：

（1）可調吊梁主體尺寸：長、寬、高為 2 000 mm、255 mm、700 mm；

（2）起吊環吊鉤接口尺寸：270 mm,可保證 30 t行車吊鉤穿入起吊環；

（3）掛載板位于主承力梁下部，長2 000 mm，可調掛載孔共6組，每組調整距離為160 mm，總調整距離為800 mm；

（4）可調吊梁按承載15 t進行設計，材料為Q345，起吊環、主承力梁、掛載板采用加強筋。

▲圖1 可調吊梁正視圖

▲圖2可調吊梁側視圖

▲圖3 主承力梁截面圖

▲圖4主承力梁受力模型圖

1.2 可調吊梁的傳統力學分析

可調吊梁的主承力梁為H型鋼，截面尺寸如圖3所示,抗彎截面系數W=907 cm3。

主承力梁的受力簡化模型如圖4所示，被吊設備通過2個吊點掛于主承力梁的兩端，產生向下的力R1、R2；起吊點位于主承力梁的中部，產生向上的起吊力 P（P=15 t）。

將以上數據代入相關公式計算,可得主承力梁的彎矩及撓度［3］，彎矩如圖5所示，撓度如圖6所示。

主承力梁的載荷是沿著垂直于梁軸的方向作用的，彎矩沿梁長度方向變化很迅速，在起吊點處彎矩達到最大，最大彎矩Mmax=38 625 N·m，最大彎曲應力為：小于許用應力值［σ］=172.5 MPa。

由圖6可以看出，最大撓度出現在主承力梁兩端，最大撓度Vmax=0.14 mm，小于許用剛度變形量 ［v］=2 000/1 000=2 mm。

▲圖5 彎矩圖

▲圖6 撓度圖

▲圖7 可調吊梁有限元模型

▲圖8 可調吊梁應力云圖

▲圖9 可調吊梁位移云圖

上述吊梁的傳統計算方法，只能算出某一截面的應力平均值，而不能完全反映吊梁上應力及分布的真實情況。因此，它僅用于對吊梁的驗算，而不能用于計算吊梁上某點（例如應力集中點）的真實應力值，使用有限元法對吊梁進行強度分析，只要計算模型簡化得當，受力約束處理合理，就能得到比較詳細的應力與變形分布情況［4］，這是傳統計算方法難以辦到的。

1.3 可調吊梁的有限元分析

通常，在整個有限元求解過程中最重要的環節是有限元前處理模型的建立。一般包括幾何建模、定義材料屬性和實常數 （要根據單元的幾何特性來設置，有些單元沒有實常數）、定義單元類型、網格劃分、添加約束與載荷等。因吊梁結構形狀較為復雜，一般有限元軟件所提供的幾何建模工具功能相當有限，難以快速、方便地對其建模。因此，針對較復雜的結構，可采用三維CAD軟件如Pro/E建立幾何模型,然后在有限元分析軟件ANSYS中通過輸入接口讀入實體模型,并完成其它分析過程［5］。

首先在Pro/E軟件中建立可調吊梁的三維模型，在建立吊梁的有限元模型時，先對可調吊梁實體作必要簡化，對主要承載件，均保留其原結構形狀，以反映其力學特性，對非承載件進行一定程度的簡化。為了降低倒角、螺紋等對網格劃分的影響，在用Pro/E建模時去掉了倒角、螺紋。

然后將模型導入到ANSYS中進行網格劃分，劃分網格時選用具有較高剛度及計算精度的四面體10節點Solid92單元，使用Smartsize進行自由網格劃分及人工局部調整，模型共劃分為37 132個節點，18 369個單元，有限元模型如圖7所示。

吊梁材料為Q345，從材料手冊中查出其彈性模量E=200 GPa,泊松比 μ=0.3，材料密度為 7 800 kg/m3。 計算吊梁的垂直靜彎曲剛度和靜強度的方法是：將起吊環固定，在兩個加載孔處施加垂直向下的載荷（15 t）。經ANSYS計算，吊梁的應力云圖如圖8所示，位移云圖如圖9所示。

最大等效應力出現在起吊環上部，應力值為147.1 MPa,小于許用應力值［σ］=172.5 MPa；吊梁發生彎曲變形，最大變形出現在吊梁兩端，變形量為1.29 mm，小于許用剛度變形量［v］=2 mm，故強度、剛度能滿足設計要求。

2 可調吊梁的試驗驗證

2.1 試驗前焊縫探傷

對接焊縫：所有對接焊縫作100%焊縫長度范圍超聲波探傷，其質量不低于GB/T11345-1989B級檢驗之I級標準。重要的對接焊縫要進行X光拍片檢查，其質量要求不低于GB/T3323-2005規定之II級標準。

角焊縫：重要的角焊縫應仔細進行外觀檢查，并抽查長度的5%～10%作磁粉探傷，缺陷等級不大于JB／T6046規定的I級要求，磁粉探傷處用角相砂輪打磨。單面角焊縫高度不得小于被焊件中最小板厚的0.7倍。

2.2 加載試驗驗證

在可調吊梁探傷合格后，進行吊梁加載試驗。經綜合考慮吊梁的工作負荷及安全系數，加載的最大重量確定為 26 t。 加載試驗采用逐次遞增，按 12 t、15 t、18 t、21 t、24 t、26 t逐漸加載，每次加載保持起吊狀態20 min，并進行5次起吊沖擊試驗。試驗過程中，觀察吊梁的受力變形；試驗后，仔細檢查焊縫，所有焊縫應無裂紋。可調吊梁經加載試驗驗證，強度、剛度能滿足設計要求。

3 結束語

運用Pro/E軟件建立了可調吊梁的三維模型，模型簡化后轉入ANSYS軟件中進行了靜強度和靜剛度的分析計算，并采用加載試驗的方法對分析結果進行了驗證。試驗結果表明，可調吊梁強度、剛度能滿足設計要求，使用安全、可靠。

［1］ 周志革.吊梁的有限元分析及結構優化［J］.機械設計,2002（8）:89-90.

［2］ 徐浩.基于有限元的大型摩擦焊機主軸箱優化設計［J］.機械設計與制造,2013（3）:114-116.

［3］ 孫訓方,方孝淑.材料力學［M］.北京:高等教育出版社,1994.

［4］ 邱勇.基于ANSYS的柔輪應力與應變的有限元分析［J］.機械制造,2012,50（8）:14-46.

［5］ 劉興龍.軌道車輛牽引拉桿有限元分析［J］.機械工程與自動化,2013（2）:60-61.