高處作業吊籃結構參數化的設計及優化

鄭夕健，王紹龍，董 建

（沈陽建筑大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110168）

0 引言

高處作業吊籃（簡稱吊籃）是一種現代建筑安裝工程所必需的裝備，以搭建拆卸方便、成本低等特點被廣泛應用[1]。目前國內常見的有ZLP630 與ZLP800，跨度為7.5m，這些小載荷的吊籃嚴重阻礙了施工效率的提高[2]。懸掛裝置與懸吊平臺作為整個吊籃系統的主要機構，其結構的設計[3]對吊籃的承載能力和安全性能至關重要。

本文以自行研發的ZLP3000 型吊籃為研究對象，基于VB 和APDL 語言[4,5]編制了高處作業吊籃參數化設計程序，對其主要結構的截面尺寸、各吊點連接位置和結構尺寸進行設置，完成了結構的參數化建模、結構分析和結果輸出，為吊籃同類產品的研發及生產提供依據。

1 ZLP3000 型高處作業吊籃簡介

高處作業吊籃是一種將懸掛裝置架設于建筑物樓頂，利用提升機驅動懸吊平臺，使載有工具和材料的懸吊平臺，通過鋼絲繩沿建筑物表面上下升降的載人設備，主要用于高層建筑物及多層建筑物的外墻施工、裝修以及幕墻門窗的安裝、清洗等工程作業。其結構主要由懸掛裝置、懸吊平臺、提升系統（包括提升機與鋼絲繩）、防墜落裝置、電氣系統和控制系統六部分組成[2]，整體結構如圖1 所示。

圖1 高處作業吊籃結構組成Fig.1 Composition of temporarily installed suspended access equipment's structure

2 ZLP3000 型高處作業吊籃參數化設計

高處作業吊籃參數化設計系統包括懸掛裝置和懸吊平臺的參數優化設計兩部分，具有較強處理實際問題能力，為不熟悉ANSYS 軟件的工程設計人員提供良好的設計優化平臺。

（1）懸掛裝置參數化設計。懸掛裝置參數化設計包括基本參數設置、網格劃分、有限元分析和結果輸出四部分，每部分對應各自模塊。有限元分析對應求解模塊，有限元分析界面設置如圖2 所示。

在圖2 數據窗口中輸入兩根鋼絲繩吊點之間距離、上立柱支點到支點中心的距離等參數值后，點擊“ansys分析”按鈕，調用ANSYS 讀取完整的APDL 程序進行懸掛裝置承受極限工作載荷時的求解。再根據結果輸出比較優化前后應力、位移等結果，得出該結構設計是否合理的結論。

（2）懸掛裝置參數優化。應用懸掛裝置參數優化設計系統對不同吊點位置的懸掛裝置進行有限元分析，優化前后輸入數據如表1 所示。

圖2 有限元分析界面Fig.2 Finite element analysis interface

表1 優化前后界面輸入數據（單位：mm）Tab.1Theinterfaceinputdatabeforeandafterof Optimization(unit:mm)

優化前后結構應力對比結果如圖3 和圖4 所示，X向和Y 向位移對比結果見表2。

圖3 優化前結構應力Fig.3 The structure stress before optimization

圖4 優化后結構應力Fig.4 The structure stress after optimization

通過以上優化前后方案的對比可知，最大應力由209.99MPa 降低到199.13MPa（均滿足材料的許用應力），降低了5.17%；斜拉鋼絲繩1 前吊點Y 向撓度由1.4cm降到1.24cm，降低了11.4%；斜拉鋼絲繩2 前吊點Y 向撓度由0.68cm 降到0.58cm，降低了14.7%；斜拉鋼絲繩1后梁吊點由0.55cm 降到0.53cm，降低了3.77%。以上結果經過優化后均得到較大幅度的改善，提高了懸掛裝置的整體安全性能。

表2 優化先后數據對比Tab.2Datecomparisonbeforeandafterofoptimization

（3）懸吊平臺參數化設計及優化。懸吊平臺的標準節由上橫梁、中橫梁、下橫梁、上腹桿、下腹桿、立柱、底板、角鋼和彎板組成，各組成部件材料選用Q235。根據GB/T6728—2002 中方形及矩形冷彎空心型鋼的截面形式和GB/T706—2008 中等邊角鋼的截面尺寸，結合現有型號懸吊平臺組成部件的截面尺寸，初步選取懸吊平臺各組成部件截面形式和相關參數如表3 所示。

表3 平臺各部件截面尺寸和相關參數（單位：mm）Tab.3SectionsizeandrelatedparametersofPlatform components（unit:mm）

結合國內懸吊平臺的模塊長度（0.5m、1m、1.5m、2m、2.5m 和3m），基于枚舉法對跨度為20m 的懸吊平臺組合方案進行研究，并結合對懸吊平臺標準節組合數量和對稱布置的研究，得出表4 所示的七種模塊化組合方案；根據GB19155-2003 中的規定以及實際工作情況，選擇懸吊平臺承受靜力試驗載荷作為最危險工況（荷載值P=63700N）。在懸吊平

表420 m懸吊平臺模塊化組合方案Tab.4Modularcombinationschemeof 20m suspendedplatform

臺結構分析界面中選擇平臺模塊化組合方案、工況載荷與雙吊點在端部形式后，點擊“進行有限元分析”，系統會自動調用ANSYS 讀取完整的APDL 程序對平臺進行計算，進而輸出相應結果。

由圖5 可知，表4 中的方案一和方案五小于Q235 的許用應力，其余方案的最大綜合應力均大于Q235 的許用應力。若保持初始結構參數和吊點位置不變，建議選擇方案一和方案五，若力求平臺重量最小且材料得到充分利用，方案一可適當減小組成部件的截面尺寸。

圖5 不同方案數據對比界面Fig.5 Date contrastive interface of different scheme

3 結論

本文完成大載荷高處作業吊籃結構參數化系統的開發，通過實例分析驗證了系統的可行性，并得到以下結論：

（1）通過VB 結果輸出界面提取計算結果數據，對多組方案計算數據對比分析可知，懸掛裝置結構受力降低5.06%，相關性能指標滿足要求，提高懸掛裝置的整體安全性能，取得較為滿意的優化方案。

（2）通過對比不同模塊組合方案下懸吊平臺的應力值，獲得了20m 懸吊平臺最佳布局為雙吊點內移式的方案六，為不同形式的懸吊平臺設計研發提供有效的理論參考依據。

（3）基于VB 的ANSYS 參數化設計，可實現計算參數的快速輸入及結果的輸出，大大縮短了建模時間，快速有效的提高了懸掛裝置與懸吊平臺設計分析效率。

[1]張華，李守林.國內外高空作業機械的現狀及發展趨勢（上）[J].建筑機械化，2011，3.

[2]GB 19155-2003，高處作業吊籃[S].

[3]王麗，樊湘芳，王調品.塔式起重機底盤半底架結構的優化設計[J].攀枝花學院學報，2013，6.

[4]Xijian Zheng，Jinxia Ma，Yiwei An，et al. Parametric Design of Suspension Rig Based on VB and ANSYS [C].Applied Mechanics and Materials, 2013.

[5]史進，鄭建榮，俞中建. 基于APDL 的門式起重機主梁參數化建模與仿真[J].起重運輸機械，2009，4.

[6]張彥立，王廣慶，李曼.基于VB 和ANSYS 的風機塔筒參數化建模與分析[J].機電工程，2012，2.

[7]鄭夕健，劉明達，賈超，等.吊籃懸吊平臺有限元建模及其分析[J].建筑機械化，2011，3.

[8]鄭夕健，等.吊籃懸吊平臺參數化設計及優化[J].建筑機械化，2014，6.