基于ANSYS的設備吊裝用撐桿設計與分析

郭建強，孫 遠

(天津修船技術研究所，天津 300456)

近年來，隨著世界各國在深海和遠海領域石油和液化天然氣開采技術的競爭日趨激烈，全球船舶與海洋工程裝備制造技術得到了快速發展。與此同時，在新工藝、新技術目標的催生下，一些超大型一體化設備在近些年的船舶與海洋工程項目中的應用越來越廣泛。

隨著這些超大型設備吊裝工作量的增多，建造項目整體的風險系數隨之加大，設備吊裝所用撐桿的設計技術也變得更加重要。

在以往的撐桿設計中，由于吊裝設備的重量輕，加之撐桿制造所用材料的綜合性能好，撐桿設計安全系數大等因素的存在，所設計的撐桿能夠滿足吊裝要求，所以僅需在撐桿預制完成后，對其進行強度校核、驗證即可。但是，隨著設備重量的增大，以及撐桿設計尺寸、材料性能等因素受到限制，撐桿的設計過程必須更加科學化、精細化，并充分考慮撐桿使用過程中存在的潛在風險。

1 撐桿的設計及校核

1.1 撐桿的設計原則

撐桿設計應確保其在使用過程中，吊機鉤頭、撐桿及設備重心在同一平面內，且在降低制作成本的同時，能夠最大限度地增大使用范圍，以提升整體經濟效益。常規撐桿一般由主體、護板和吊耳組成。撐桿主體由高強度鋼板制作，為平衡撐桿整體截面各個方向的慣性矩，主板兩側設計半圓形護板，以此提升撐桿整體的強度。撐桿兩端的吊耳一般設計成聯體板式吊耳，由主板和2塊或2塊以上的耳板焊接組成，吊耳的整體厚度應不小于匹配卸扣開口寬度的75%，以防止卸扣扭轉對吊耳的破壞，同時提升吊耳的抗拉性能。

1.2 設計背景

根據吊裝需求，本撐桿用于吊裝320 t設備，吊耳的間距(設備寬度方向)為6 100 mm，設備重心與其形心重合。撐桿吊裝用卸扣的額定載荷為500 t，選用鋼絲繩直徑為130 mm，撐桿上部吊耳水平角度為76°，撐桿結構及受力分析示意圖見圖1。

圖1 撐桿結構及受力分析示意圖

其中，撐桿下吊耳所受拉力F1、F1′為：

(1)

式中，m為吊裝設備的質量；ζ為設備吊裝安全系數，ζ=2。

由式(1)可得，撐桿下吊耳所受拉力為3 136 kN。

撐桿上吊耳所受拉力F2、F2′為：

(2)

式中，θ為撐桿上部吊耳拉力方向與水平方向的夾角(本設計中取值為76°)。

由式(2)可得，撐桿上吊耳所受拉力為3 232 kN。

撐桿軸向所受的壓力F3、F3′為：

(3)

由式(3)可得，撐桿軸向所受的壓力為782 kN。

1.3 撐桿設計參數

撐桿整體設計所需的材料均為DH36，其主體采用厚度為28 mm、長度為2 500 mm、寬度為530 mm的板材。吊耳采用厚度為45 mm、長度為2 200 mm、寬度為1 780 mm的板材，吊耳加強板采用厚度為28 mm和19 mm的板材。主體外側護板采用外徑為500 mm、厚度為19 mm的成品管。

根據設計需要，本撐桿配套使用的卸扣規格為BX型S(6)級500 t，其銷軸直徑為185 mm，軸孔外徑為390 mm，卸扣弓高為557.5 mm，卸扣開口內徑為240 mm。撐桿配套使用的鋼絲繩最大直徑為130 mm。

根據以上信息可以進一步確定，撐桿的吊耳孔直徑d1=199 mm；吊耳耳板的半徑r=427.5 mm，考慮實際操作裕量及吊耳耳板設計半徑須大于1.25倍的吊耳孔直徑的要求，本設計中吊耳耳板的半徑R的取值確定為320 mm，吊耳兩側的3對加強板半徑分別為r1=280(320-40)mm，r2=240(280-40)mm，r3=200(240-40)mm；吊耳孔與主體外側護板的距離c=320 mm；上、下部吊耳孔間距為a=142.12 mm，取值143 mm；吊耳整體厚度為t=195 mm，與卸扣開口內徑的比例為195/240=82.15%，滿足吊耳整體厚度須大于卸扣開口內徑的75%的設計需求。

撐桿詳細設計示意圖見圖2。

圖2 撐桿詳細設計示意圖

1.4 撐桿強度校核

結合撐桿的實際應用工況，撐桿的強度校核主要包括吊耳板的應力校核、吊耳的應力校核、吊耳加強板的焊接校核以及撐桿的穩性校核。DH36材料的屈服應力為355 MPa，其相關應力參數值見表1。

表1 DH36材料的相關應力參數值

1)吊耳應力校核。吊耳板所受的拉應力σ為[1]：

(4)

式中，A1為吊耳板的橫截面積。

由式(4)可得，σ值為80.8 MPa，小于許用應力319 MPa，滿足強度要求。

吊耳孔所受的剪切應力τ為：

(5)

式中，Fsh為吊耳所受剪切應力；Ash為吊耳剪切面的面積。

由式(5)可得，τ值為50.9 MPa，小于許用剪切應力142 MPa，滿足強度要求。

2)吊耳加強板焊接強度滿足設計所需的最小焊腳高度himin為：

(6)

式中，ti為吊耳兩側加強板的厚度(共3對加強板，i=1、2、3，t1=t2=28 mm，t3=19 mm)；k為焊接安全系數(取值0.7)；fw為焊接許用應力；ri為吊耳兩側加強板的半徑(共3對加強板，i=1、2、3)。

由式(6)可得，吊耳兩側加強板滿足焊接強度要求所需的最小焊腳高度分別為：h1min=2.6 mm；h2min=3.1 mm；h3min=2.5 mm。

結合焊板的厚度，本撐桿吊耳加強板焊腳設計高度為：h1=h2=17 mm；h3=14 mm。

3)撐桿穩定性校核。

撐桿截面慣性矩I為：

(7)

式中，D為撐桿護板的外徑；d2為撐桿護板的內徑；b為撐桿主體的厚度；h為撐桿主體的高度。

由式(7)可得，I值為1 178 579 805 mm2。

撐桿截面慣性半徑R為：

(8)

式中，A2為撐桿截面面積。

由式(8)可得，R值為164.5 mm，撐桿柔度λ為：

(9)

式中，L為撐桿下吊點間的距離。

由式(9)可得，λ值為37.08 mm。

撐桿截面寬厚比Ψ為：

(10)

式中，fyk為材料許用應力。

由式(10)可得，ψ值為45.6。

因此，根據撐桿截面寬厚比值，查鋼結構設計規范附表，可得撐桿穩定系數φ=0.927。

撐桿的穩定強度δ為：

(11)

由式(11)可得，δ值為19.4 MPa，小于許用應力319 MPa，滿足撐桿強度要求。

綜上所述，撐桿的穩定性滿足要求。

1.5 ANSYS強度分析

1)模型建立。利用軟件PRO/E，根據設計參數完成撐桿模型建立、優化工作，并通過ANSYS與CAD軟件的對接接口，將模型導入到ANSYS的結構靜態分析模塊[2]，進行強度分析前的預處理工作。

2)模型預處理。根據設計需求定義材料性能，選擇合適的劃分網格類型，并根據實際工況添加載荷及邊界條件。模型前處理工作完成并確認后，結合設計需要，在求解方案中插入等效應力、等效彈性形變及總變形等模型屬性，并完成求解。撐桿模型的等效應力云圖模型如圖3所示。由圖3知，撐桿的最大等效應力為106.25 MPa，小于許用應力177.70 MPa，因此得出撐桿的強度滿足規范要求的結論。

圖3 撐桿模型的等效應力云圖

2 結束語

本文闡述了一種特種設備吊裝用撐桿的設計及校核方法，并通過運用有限元分析軟件ANSYS對其進行靜態結構的應力、應變分析，直觀、可靠地反映出了撐桿在實際工況下的應力分布和變形情況，不僅科學、高效、可靠，而且為后續撐桿的優化設計工作提供了重要參考依據。