基于有限元的吊梁分析

王 樂，王雅彬

（臺海瑪努爾核電設備股份有限公司，山東 煙臺 264003）

吊梁作為工程建設中重要的起重設備，在現代化各行業的建設應用十分廣泛。由于吊梁種類多樣，形狀具有不規則性，通過人工計算受力結構相對復雜，計算量較大，且計算精度不夠。隨著工程設計和繪圖軟件的發展，應用計算機有限元分析方法可以提高數據計算精度，為優化吊梁設計提供指導。

1 工程案例

本公司承接某項目鋼結構框架模塊，其中主體模塊重約150t，吊點橫向跨度為17m，而起重機兩吊鉤之間間距為4m，直接起重起吊會造成模塊變形。因此，考慮使用安全性、可靠性較高的吊梁設備施工。考慮工程施工成本的控制，使用公司庫存的優選鋼管。鋼管直徑為350mm,長度8.5m。由于起吊重量較大，因此在鋼管周圍焊接T型鋼板以提高吊梁的強度和剛性。公司使用的吊梁和其他構件具有通用性，因此，選用的鋼管以單獨體的制作方式施工應用，必要時兩根鋼管合并起吊。根據操作經驗，起吊構架的主跨距范圍在8m～10m時，使用一根吊梁，而構件主跨距為15m～18m時，需要兩根吊梁合并起吊。由于承接項目主體模塊的跨度為17m，因此，起吊施工中采用兩根吊梁合并的方式起吊施工。

2 鋼結構吊裝系統設計方案

為了確保吊裝系統性能的高效發揮，控制吊梁結構變形導致的功能發揮失常，并保證內部設備安全，需要通過建模前的設計方案確定吊裝系統。為節約工程成本利用現有鋼材為吊裝設備橫梁，通過板材焊接吊耳，并使用提升千斤頂和吊裝平衡梁等構件[1]。

3 有限元模型的建立

使用有限元方法進行分析，首先建立有限元模型。需要根據幾何建模、材料屬性定義和實常數等設置幾何特性參數。根據軟件定義單元類型和網格劃分，并添加約束和荷載。使用ANSYS軟件SHELL181單元的中等厚度殼結構分析功能，對殼板的彎曲和薄膜力學行為的功能進行分析，分析時需要充分考慮板殼結構剪切變形的影響[2]。并對吊梁在作業過程中的抗拉、抗彎及抗壓應力實施分析，完成受力構件使用材料的屈服程度分析，優化判斷吊梁設計是否可靠、安全。

3.1 模型簡化與網格劃分

通過有限元SHELLl81單元類型對起吊主梁的安全性和可靠性進行建模分析。建立吊梁有限元模型時可以對吊梁實體進行簡化，只需保留主要承載構件和形狀結構，以能夠反應構件結構的力學特性為主，對非必要承載結構進行簡化，盡量規避倒角、螺紋等非必要結構影響網格劃分。在運用ANSYS軟件進行網格劃分時選用計算精度較高的，且具有較高剛度的四面體節點單元，并使用Smansize輔助功能對網格自由劃分并進行適當的人工調整[3]，建立的模型共28972個節點和13787的單元，有限元模型見下圖圖1所示。

圖1 吊梁三維幾何模型

3.2 數據計算條件和處理

吊梁使用的材料為Q420B高強度鋼，根據起重機設計規范計算基本許用應力σ=（0.5σb+0.35σs）/n,其中σb為630MPa,σs為420Mpa,安全系數取1.34，計算結果σ為308MPa,而卸扣軸材料為42CrMo鋼，計算其許用應力為589MPa。吊梁材料的彈性模量E為2.10×105MPa,泊松比0.30,密度7850kg/m3。上吊耳提升單元類型為Solid185,材料屬性和梁及底架一致。卸扣軸單元類型為Solid185,材料屬性42CrMo鋼,彈性模量2.06×105MPa,泊松比為0.28,密度7 850 kg/m3，質量元為Mass，約束及載荷采用吊點全約束。荷載簡化和邊界條件為吊梁的工作荷載150t，計算中施加在節點上的工作荷載為1.47N。

一般情況下，軸和起吊孔的接觸位置在下半圓，且接觸分布應力可以按照余弦函數分布計算，施加在各節點上的力根據上述原則進行計算。使用有限元方法求解工程問題時需要通過正確的邊界條件消除剛體位移機構結構性影響[3]。而該吊梁模型結構的特點和實際約束需要引入對稱面邊界條件，通過縱向平平移自由度進行約束。

4 吊梁的試驗驗證

動力荷載試驗可以根據鋼結構重量的1.1倍施加試驗載荷,動力載荷停留位置和施加靜載荷位置相同,起重機抬升速度為控制在400mm/min,在離開地面400mm后迅速制動，保持空中停留10min再下降,下降速度同為400mm/min。并通過添加臨時荷載進行起吊、降落最少三次的動載荷試驗。經過動載和靜載模式試驗確保吊裝設備穩定后，液壓同步調控制系統各吊點保持同步使系統靈活運行，確保施工安全可靠。

5 討論以結果優化

以建立有限元的方法對吊梁進行設計和分析，可以通過有限元的模擬計算提高計算的精確度，對吊梁結構的不同受力構件的應力狀況進行分析，得出相對精確的實際施工狀態下的吊裝結構受力情況。為了吊裝結構滿足鋼結構項目的施工要求，現根據受力結果分析提出以下結論：由于主體吊梁鋼管和端板有限元受力分析中滿足規定強度要求，因此，不許做額外加強，但受力吊梁主體鋼管的應符合GB3811規范要求。端板受力分析滿足受力需要，也應根據規范進行嚴格檢驗。起吊吊耳受力位置超過許用應力，沒有達到規定強度要求。因此，通過在吊耳兩側部位加裝相應厚度的鋼板，以達到規范要求。并通過后期設計和施工圖紙的完善對方案進行確定，使吊裝系統的強度達到施工要求。同時液壓調平系統模擬調平試驗中各吊點能夠保持同步位移，且操作具有靈活性，驗證了鋼結構項目吊裝系統設計的合理性。

參考文獻

[1]于喜年,王衍,袁雷.某核電站控制廠房整體吊裝系統設計[J].黑龍江科技大學學報,2017,(1)：82-86.

[2]方勇.基于ANSYS的可調吊梁設計[J].機械制造,2014,(2)：36-37.

[3]張盛華.吊梁的設計及有限元分析[J].南通紡織職業技術學院學報,2015,(2)：11-13.