基于命令流的大型非標吊耳的參數化設計技術

侯學綱 石福升 張文寧

中石油第二建設有限公司 甘肅蘭州 730060

根據《石油化工大型設備吊裝工程規范》GB50798- 2016，設備質量大于（或等于）100t 或垂直高度大于（或等于）60m 的吊裝作業稱為大型設備吊裝，包括塔器、反應器、模塊及構件等設備。按照這個劃分標準，在每個煉油、石油化工的項目中，屬于大型設備的少則十幾臺，多則幾十臺。

由于非標吊耳的普及，大大超出標準規范[1]中吊耳的類型與級別，各國都對吊耳的設計與評估提出了新的標準。國內外大型施工單位也進行了基于Pro/ E 和Ansys 等有限元軟件分析。在吊耳研究上，國內企業已形成吊耳解析校核與有限元分析相結合的設計與驗算方法。然而，由于非標吊耳的種類及形式復雜多變，并未完全形成通用統一的參數化軟件，難以將設計人員從重復性的建模分析過程中解放出來。

為此，筆者通過查閱文獻，對非標吊耳進行材料力學與有限元分析，最終為工程設計人員提供了材料力學計算與有限元分析計算兩種結果，使計算結果更為可靠。以非標吊耳管軸式吊耳與吊蓋式吊耳為例，將模型參數化，以命令流的方式加載求解。比較計算結果對命令流文件調試，最終形成命令流文件，實現吊耳設計的自動化。重點對設計難度最大的吊蓋式吊耳詳細計算說明。另外，采用參數化的模型，使用ansys 的命令流文件確定吊耳的最佳方位。

1 管軸式吊耳材料力學與有限元參數化的計算

1.1 管軸式吊耳材料力學計算方法

管軸式吊耳的材料、筋板使用Q345A，［σ］=σs/ 1.6，［τ］=0.6［σ］，動載沖擊系數及多個吊耳吊裝時的不均性綜合影響系數K=1.65。

1.2 管軸式吊耳參數化有限元命令流計算

管軸式吊耳受力簡圖如圖1 所示。

圖1 管軸式吊耳受力簡圖

1.2.1 *set 命令定義吊耳變量參數

吊耳參數wj、nj、gh、cd 和zh 共計6 個。通過*set命令定義參數變量，例如*SET,gh,10 即定義吊耳管厚度變量參數gh=10。使用參數時，只需在命令中輸入參數名就可以。當使用參數時, ANSYS 將立刻把參數名換為參數的當前值。

1.2.2 前處理模塊選擇

KEYW,PR_SET,1KEYW,PR_STRUC,1。

1.2.3 前處理

/ PREP7 進入前處理；ET,1,BEAM188!設置單元類型BEAM188；MPTEMP,1,0！設定與溫度有關的材料屬性；MPDATA,EX,1,,2.1e5!材料參數，楊氏模量E=2.09E11；MPDATA,PRXY,1,,0.3!泊松比。

1.2.4 建模部分代碼

設 置 截 面 特 性 SECDATA,nj/ 2,wj/ 2,0,0,0,0,0,0,0,0 ；創建關鍵點K,1,,,,；K,2,cd,,,；LSTR, 1, 2。

1.2.5 網格劃分FLST,5,1,4,ORDE,1；FITEM,5,1；CM,_Y,LINE；LSEL, , , ,P51X；CM,_Y1,LINE；CMSEL,,_Y；LESIZE,_Y1, , ,10, , , , ,1；LMESH, 1。

1.2.6 進入求解器施加約束，載荷

/ SOL；DK,P51X, , , ,0,ALL, , , , , ,；FK,P51X,FY,- zh。

1.2.7 求解

SOLU。

2 吊蓋式吊耳材料力學與有限元參數化的計算

對于反應器、熱高壓分離器、冷低壓分離器等類設備，經過焊后整體熱處理不允許在器壁上焊接吊耳，多采用設計一個與設備頂部法蘭相匹配的吊蓋式吊耳作為主吊點。吊蓋式吊耳未列入現有的吊耳規范中，因此需要單獨設計計算。吊蓋式吊耳的形式分別如圖2—4所示，根據不同的設備重量選擇不同的結構形式。

圖2 單吊耳板圖

圖3 雙吊耳板圖

2.1 吊蓋式吊耳材料力學計算方法

以180 萬t/ a 催化汽油加氫裝置第一加氫脫硫反應器0228- R- 201A 為例進行說明。吊耳結構圖如圖5所示。

材料選用16Mn 鋼板, 材料屈服極限σS=0.28 kN/ mm2, 取安全系數n=1.6, 則: 許用拉壓應力[σ]=σS/ 1.6=0.175 kN/ mm2；許用剪切應力[τ]=0.6[σ]=0.105 kN/ mm2，角焊縫系數φ 為0.7，[σ]焊縫=φ[σ]=0.123 kN/ mm2。根據有關參考資料[2],動載系統k=1.1～1.5，由于本次吊裝過程速度緩慢, 取k=1.3。

圖4 雙吊耳板軸式圖

如圖5 所示，取R=250mm，h=300，d1=150mm，f=R- d1/ 2=175mm，c=R- d1/ 2=175mm。如圖6 所示，取厚度t2=120mm。由設備圖0228- R- 201A 可知，在圖7 中：

圖5 異戊二烯萃取精餾塔A 吊裝圖

圖5 吊耳結構圖

圖6 吊耳結構側視圖

2.1.1 設備呈臥態時校核

設備呈臥態時如圖7 所示，C- C 截面彎曲應力計算如下:

圖7 臥態時吊耳受力圖（a）和整體受力圖（b）

2.2 吊蓋法蘭蓋板校核

2.2.1 設備呈臥態時校核

2.2.2 設備呈立態時校核

故上述吊蓋法蘭蓋板滿足要求。

2.3 吊蓋緊固螺栓的強度校核

故上述吊蓋緊固螺栓滿足要求。

圖8 立態時整體受力圖

2.4 吊蓋式吊參數化有限元命令流計算

以最為復雜、計算難度最大的雙吊耳板吊蓋式吊耳為例進行說明，由于篇幅原因部分命令流文件省略。

2.4.1 *set 命令定義吊耳變量參數

吊耳參數kjd、c 等共計6 個。*SET,kjd,200。

2.4.2 前處理模塊選擇

KEYW,PR_SET,1；KEYW,PR_STRUC,1。

2.4.3 前處理

/ PREP7；FLST,2,2,8；FITEM,2,r,0,0；

FITEM,2,2*r,0,0；FLST,2,2,8；FITEM,2,r,0,0。

2.4.4 設置單元類型及材料屬性

ET,1,SOLID45；MPTEMP,,,,,,,,；MPTEMP,1,0；MPDATA,EX,1,,2.1e5；MPDATA,PRXY,1,,0.33。

2.4.5 網格劃分

TYPE,1；MAT,1；REAL,ESYS,0；SECNUM,!*MSHAPE,1,3D；MSHKEY,0。

2.4.6 施加約束、載荷/ SOL；DL,P51X,,ALL；SFA,P51X,1,PRES,zh/ 2/ (3.14*kjd/ 4)/ hd。

2.4.7 求解

SOLU。

2.4.8 吊耳的受力分析

根據吊耳有限元分析命令流生成的GUI，如圖9所示。

圖9 吊耳的設計有受力分析步驟

通過上述9 個步驟完成吊耳的設計受力分析。計算生成的命令流文件編輯和修改都非常方便。通常反應器的規格型號、重量不同、吊耳使用的材質不同，吊耳的尺寸不同，傳統的方法需要重新建模。但在命令流文件中只需修改幾個相關參數重新運行ansys 即可，大大提高了工作效率。

2.4.9 計算結果分析

比較ansys 計算結果與手工計算結果。檢查命令流是否有錯誤，是否有較大的誤差。經過調試、修改、編輯，最終生成正確的命令流文件。

2.4.10 吊耳設計圖出圖

根據有限元計算分析，導出設置的參數值。在設計圖形中標注便可形成設計圖，完成吊耳的設計。

2.5 吊蓋式吊耳材料力學計算與命令流參數化的計算對比

如圖10—13 所示，計算最大應力為立態時A- A截面的剪切應力200MPa，立態時法蘭蓋板的彎曲應力為194.37MPa。最大應力發生在A- A 截面與吊耳板處。

圖10 臥態時吊耳板受力計算

如圖14 所示，有限元計算的結果最大應力為183.5MPa，最大應力在吊耳板孔內側。

圖11 立態時吊耳板受力計算

圖12 臥態時法蘭蓋板受力計算

圖13 立態時法蘭蓋板受力計算

圖14 有限元計算的應力分布圖

Ansys 計算的結果比材料力學計算的結果小，兩者誤差為8.3%，在可以接受的范圍內。引起誤差的原因是材料力學簡化的力學模型較為保守，所以計算的結果稍大。通過比較，進一步驗證本文命令流文件計算的正確性。

3 結論

目前國內外大噸位吊車已達到3000t 以上（徐工XCG88000 型4000t，為全球最大），液壓提升/ 頂升系統達到了6400t，吊裝技術也隨之發展壯大。隨著非標吊耳大量出現，現有的規范已不能滿足吊裝技術的要求。非標吊耳采用常規的計算方法有一定的局限性，使用ANSYS 有限元分析軟件常規方法繁雜且費時費力。本文通過使用ANSYS 的二次開發，針對管軸式吊耳與吊蓋式吊耳的參數化建模與設計，形成了吊耳設計專業的命令流文件。同時以理論計算為基礎與有限元計算的方法進行對比，提高了命令流文件計算的可靠性。

主要工作成果如下：

（1）依據相應設計規范與標準，對管軸式吊耳進行了力學分析，提供管軸式吊耳力學計算方法；

（2）管軸式吊耳參數化建模分析，形成了命令流文件；

（3）參考相關文獻提供了吊蓋式吊耳設計分析的理論計算方法；

（4）對吊蓋式吊耳參數化，構建參數化有限元模型，實現自動化設計的命令流文件。通過計算實例對比，證明了有限元計算的優勢，為實際設計提供了計算手段與依據。