UG 有限元分析在倒裝法制罐上的應用

張正森 ， 吳錦行

（1.瑞科際再生能源股份有限公司，福建 廈門 361100；2.貴州民族大學，貴州 貴陽 550025）

0 引言

有限元分析（Finite Element Analysis）是一種近似求解復雜問題的數學分析方法。隨著計算機技術的發展和應用，有限元分析技術不斷更新換代，功能越來越強大，已經廣泛應用于工程領域。UG 有限元分析，是UG 軟件的一個高級仿真模塊，是用于實體結構建模、求解和優化結果可視化的一種CAE 仿真軟件，其可以用來進行包括結構、熱、聲、流體、場等方面的分析研究，廣泛用于分析梁、柱、桿、彈簧、殼體等實體結構在承受各類載荷下的變形和應力情況，進行安全校核、優化結構等應用[1]。

與正裝法制罐相比，倒裝法在成本、進度、質量、安全等方面具有較大優勢[2-4]。倒裝法有水浮、充氣頂升、液壓頂升和電動葫蘆等倒裝法，相比而言，電動葫蘆倒裝法所用的設備和工器具簡單、成本更低[5-6]。本研究通過瑞科際再生能源股份有限公司對某市餐廚垃圾處理項目中鋼制厭氧罐的制作安裝實例，闡述了應用UG 有限元對其吊裝關鍵結構部件受力桅桿進行分析并優化的過程。

1 厭氧罐的施工工藝及載荷計算

1.1 厭氧罐的施工工藝

某市餐廚垃圾處理項目規模為300 t/d 餐廚垃圾、50 t/d 廢棄食用油脂，需現場制作安裝厭氧罐等大小各式儲罐若干，其中厭氧罐尺寸最大，具體參數：容積5 000 m3，Φ17 m×H25 m，壁厚8 mm～16 mm，最大起重質量129.2 t，擬采用電動葫蘆倒裝法現場制作。

將厭氧罐罐體分成罐底板、罐頂蓋和16 圈的罐壁板等分步施工，其主要施工工藝流程：人材機進場、基礎交安驗收和施工交底→放線→罐底板焊接、安裝和質檢→桅桿、脹圈、吊耳、纜風繩等安裝調試→第1 圈罐壁板及頂蓋角鋼焊接、安裝和質檢（從上到下計）→罐頂蓋焊接、安裝和質檢→第1 圈罐壁板和罐頂蓋整體提升→第2 圈罐壁板焊接、安裝和質檢→重復提升第3 至15 圈罐壁板焊接、安裝和質檢→第16 圈罐壁板焊接、安裝，并與罐底板焊接、安裝和質檢→提升設施拆除、清理→罐體其他附件安裝→罐體充水試驗、沉降觀察→罐內外清掃→交工資料整理→竣工驗收[7-9]。

1.2 載荷計算

首先，根據罐體設計圖紙計算罐頂蓋、附件和每一圈壁板的重量，累加得到每次提升的起重重量，除罐底板和第16 圈壁板外的重量累加得到最大起重重量Q=129.2 t。

根據一般吊裝作業規范，動載荷系數取數值為1.1；不平衡載荷系數一般取數值為1.2，但是考慮項目所在地為沿海，風阻較大，且為電動葫蘆組吊裝，為提高吊裝安全，本項目不平衡載荷系數取值為1.3[10]。

根據載荷計算公式：

式中，Q為設備或構件和索、吊具的重量之和。Q計計算情況如表1所示。

表1 單組桅桿載荷計算

根據表1 的計算情況，選用額定提升能力10 t、提升速度0.09 m/min、電機功率0.5 kW 的電動葫蘆。為滿足電動葫蘆群同步工作，電動葫蘆的電機在開啟過程中采用同一個開關控制，達到同時啟動、同時停止的目的；為避免同步差異，還給每個葫蘆安裝了微調電路，在提升裝置整體性能的同時，可以及時調整單個葫蘆的提升速度，有效保證了焊接質量和提升過程的平穩安全[11-14]。

2 桅桿受力有限元分析

2.1 桅桿材料及物理參數

倒裝提升裝置包括桅桿（由提升柱、吊耳、斜撐等組成）、環向拉桿、纜風繩、中心立柱、脹圈、卡具、電動葫蘆等。桅桿擬采用22 根4.2 m 長的Φ219 mm×6 mm 無縫鋼管，吊耳為20 mm 厚鋼板，斜撐為75 mm×8 mm 角鋼，材質均選用Q235A，根據《現代機械設計手冊》，查得材料特性如表2所示。

表2 Q235A材料特性

2.2 桅桿有限元分析

根據相關計算，設計并建立UG 三維模型。桅桿上的環向拉桿和纜風繩的受力遠小于和電動葫蘆的拉力，UG 有限元分析時可忽略不計；桅桿吊耳、電動葫蘆、脹圈吊耳中心應盡量設置在同一垂直線（罐體提升時電動葫蘆與桅桿最大角度不超過3°），則桅桿受力可簡化為垂直拉力，并選其中一組桅桿進行分析，不影響其安全校核結果。

啟用UG“高級仿真”應用模塊，對桅桿組實體模型指派材料，根據Q235A 材料特性，選擇UG 材料庫里的“Steel-Rolled”，類型為各向同性；再進行3D 四面體網絡劃分，單元大小選擇40 mm；激活仿真，先將桅桿底板和斜撐底部固定約束，再加載吊耳處拉力為單組桅桿載荷即83 940 N，如圖1所示。

圖1 桅桿約束和載荷圖

最后進行求解，得到有限元分析結果。根據圖2 應力-單元-節點結果云圖，發現最大應力670.165 MPa發生在吊耳根部，已超過Q235A的屈服強度，需要進行結構優化；最大位移為4.818 mm，出現在桅桿頂板邊角處，在安全范圍內。

圖2 應力-單元-節點結果云圖

通過分析上述結果云圖發現，除了吊耳根部區域受力較大外，其余區域均在安全范圍，則需加強該區域結構強度，最終優化方案為增加一塊尺寸為375 mm×60 mm×20 mm 的三角肋板即可滿足要求，如圖3所示。

圖3 優化后的桅桿和局部放大圖

再次進入“高級仿真”模塊，更新加載優化后的模型重新求解，得到優化后的結果。圖4 為優化后的應力-單元-節點結果云圖，圖5 為優化后的位移-節點結果云圖，最大應力205.147 MPa 在吊耳和加強肋板相接處，小于Q235A 材料的屈服強度；最大位移4.472 mm在桅桿頂板邊角處，均在安全范圍內，方案可行。

圖4 優化后的應力-單元-節點結果云圖

圖5 優化后的位移-節點結果云圖

吊裝提升前對膨脹圈的水平進行檢查，22 組吊裝桅桿圖如圖6 所示，對所有桅桿立柱、吊耳、斜撐等的焊接情況進行全面驗收，對所有電動葫蘆試驗動作進行檢查；提升過程中注意觀察各個電動葫蘆的工作情況，確保平穩均衡地起吊；提升完成后再對膨脹圈的水平復查，有效保證了罐體的垂直度。最終順利完成了該厭氧罐的制作安裝，驗收合格。

圖6 22組吊裝桅桿圖

3 結論

本研究闡述了應用UG 有限元對倒裝法制罐的受力桅桿進行分析優化的過程，通過建立三維結構模型，根據不同工況選擇合適的仿真求解器和解算方案，設置材料物理特性，模擬加載合理理想化的約束和受力，完成網格劃分和分析單元質量檢查后，進行有限元分析求解，并評判結構的剛度、強度、穩定性等是否符合設計要求，對施工現場進行安全有效的指導，主要得出以下結論：

1）UG 有限元分析可以為施工方案提供可視化的安全校核，保障施工安全；

2）UG 有限元分析能夠解決工程實際問題，參數化設置可以降低實驗成本，方便快速地試錯，并最終得到最優方案。