基于ANSYS的可調(diào)吊梁設(shè)計(jì)

□方勇

中國船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所 湖北宜昌 443003

吊梁作為常用的起重部件，在各個(gè)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。由于吊梁形狀不規(guī)則，在設(shè)計(jì)過程中采用人工計(jì)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的方法，工作量大，計(jì)算精度較低［1］，在實(shí)際生產(chǎn)中，難以保證合適的安全系數(shù)。隨著計(jì)算機(jī)的普及和有限元方法在工程中的應(yīng)用，利用有限元方法進(jìn)行分析，不但提高了計(jì)算精度，而且還減少了計(jì)算量［2］。

本文設(shè)計(jì)了一種新型的可調(diào)吊梁，可通過調(diào)整掛載孔位置來適應(yīng)質(zhì)心不同的多種設(shè)備吊裝，采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)可調(diào)吊梁進(jìn)行了強(qiáng)度分析和計(jì)算，通過建立合理的有限元模型，得到了應(yīng)力和變形狀態(tài)，并通過加載試驗(yàn)對(duì)可調(diào)吊梁強(qiáng)度進(jìn)行了驗(yàn)證，保證了使用的安全性和可靠性。

1 可調(diào)吊梁的分析設(shè)計(jì)

1.1 可調(diào)吊梁主體的基本參數(shù)

可調(diào)吊梁正視圖及側(cè)視圖見圖1、圖2。

可調(diào)吊梁的主體參數(shù)為：

（1）可調(diào)吊梁主體尺寸：長、寬、高為 2 000 mm、255 mm、700 mm；

（2）起吊環(huán)吊鉤接口尺寸：270 mm,可保證 30 t行車吊鉤穿入起吊環(huán)；

（3）掛載板位于主承力梁下部，長2 000 mm，可調(diào)掛載孔共6組，每組調(diào)整距離為160 mm，總調(diào)整距離為800 mm；

（4）可調(diào)吊梁按承載15 t進(jìn)行設(shè)計(jì)，材料為Q345，起吊環(huán)、主承力梁、掛載板采用加強(qiáng)筋。

▲圖1 可調(diào)吊梁正視圖

▲圖2可調(diào)吊梁側(cè)視圖

▲圖3 主承力梁截面圖

▲圖4主承力梁受力模型圖

1.2 可調(diào)吊梁的傳統(tǒng)力學(xué)分析

可調(diào)吊梁的主承力梁為H型鋼，截面尺寸如圖3所示,抗彎截面系數(shù)W=907 cm3。

主承力梁的受力簡化模型如圖4所示，被吊設(shè)備通過2個(gè)吊點(diǎn)掛于主承力梁的兩端，產(chǎn)生向下的力R1、R2；起吊點(diǎn)位于主承力梁的中部，產(chǎn)生向上的起吊力 P（P=15 t）。

將以上數(shù)據(jù)代入相關(guān)公式計(jì)算,可得主承力梁的彎矩及撓度［3］，彎矩如圖5所示，撓度如圖6所示。

主承力梁的載荷是沿著垂直于梁軸的方向作用的，彎矩沿梁長度方向變化很迅速，在起吊點(diǎn)處彎矩達(dá)到最大，最大彎矩Mmax=38 625 N·m，最大彎曲應(yīng)力為：小于許用應(yīng)力值［σ］=172.5 MPa。

由圖6可以看出，最大撓度出現(xiàn)在主承力梁兩端，最大撓度Vmax=0.14 mm，小于許用剛度變形量 ［v］=2 000/1 000=2 mm。

▲圖5 彎矩圖

▲圖6 撓度圖

▲圖7 可調(diào)吊梁有限元模型

▲圖8 可調(diào)吊梁應(yīng)力云圖

▲圖9 可調(diào)吊梁位移云圖

上述吊梁的傳統(tǒng)計(jì)算方法，只能算出某一截面的應(yīng)力平均值，而不能完全反映吊梁上應(yīng)力及分布的真實(shí)情況。因此，它僅用于對(duì)吊梁的驗(yàn)算，而不能用于計(jì)算吊梁上某點(diǎn)（例如應(yīng)力集中點(diǎn)）的真實(shí)應(yīng)力值，使用有限元法對(duì)吊梁進(jìn)行強(qiáng)度分析，只要計(jì)算模型簡化得當(dāng)，受力約束處理合理，就能得到比較詳細(xì)的應(yīng)力與變形分布情況［4］，這是傳統(tǒng)計(jì)算方法難以辦到的。

1.3 可調(diào)吊梁的有限元分析

通常，在整個(gè)有限元求解過程中最重要的環(huán)節(jié)是有限元前處理模型的建立。一般包括幾何建模、定義材料屬性和實(shí)常數(shù) （要根據(jù)單元的幾何特性來設(shè)置，有些單元沒有實(shí)常數(shù)）、定義單元類型、網(wǎng)格劃分、添加約束與載荷等。因吊梁結(jié)構(gòu)形狀較為復(fù)雜，一般有限元軟件所提供的幾何建模工具功能相當(dāng)有限，難以快速、方便地對(duì)其建模。因此，針對(duì)較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，可采用三維CAD軟件如Pro/E建立幾何模型,然后在有限元分析軟件ANSYS中通過輸入接口讀入實(shí)體模型,并完成其它分析過程［5］。

首先在Pro/E軟件中建立可調(diào)吊梁的三維模型，在建立吊梁的有限元模型時(shí)，先對(duì)可調(diào)吊梁實(shí)體作必要簡化，對(duì)主要承載件，均保留其原結(jié)構(gòu)形狀，以反映其力學(xué)特性，對(duì)非承載件進(jìn)行一定程度的簡化。為了降低倒角、螺紋等對(duì)網(wǎng)格劃分的影響，在用Pro/E建模時(shí)去掉了倒角、螺紋。

然后將模型導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格時(shí)選用具有較高剛度及計(jì)算精度的四面體10節(jié)點(diǎn)Solid92單元，使用Smartsize進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分及人工局部調(diào)整，模型共劃分為37 132個(gè)節(jié)點(diǎn)，18 369個(gè)單元，有限元模型如圖7所示。

吊梁材料為Q345，從材料手冊(cè)中查出其彈性模量E=200 GPa,泊松比 μ=0.3，材料密度為 7 800 kg/m3。 計(jì)算吊梁的垂直靜彎曲剛度和靜強(qiáng)度的方法是：將起吊環(huán)固定，在兩個(gè)加載孔處施加垂直向下的載荷（15 t）。經(jīng)ANSYS計(jì)算，吊梁的應(yīng)力云圖如圖8所示，位移云圖如圖9所示。

最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在起吊環(huán)上部，應(yīng)力值為147.1 MPa,小于許用應(yīng)力值［σ］=172.5 MPa；吊梁發(fā)生彎曲變形，最大變形出現(xiàn)在吊梁兩端，變形量為1.29 mm，小于許用剛度變形量［v］=2 mm，故強(qiáng)度、剛度能滿足設(shè)計(jì)要求。

2 可調(diào)吊梁的試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)前焊縫探傷

對(duì)接焊縫：所有對(duì)接焊縫作100%焊縫長度范圍超聲波探傷，其質(zhì)量不低于GB/T11345-1989B級(jí)檢驗(yàn)之I級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。重要的對(duì)接焊縫要進(jìn)行X光拍片檢查，其質(zhì)量要求不低于GB/T3323-2005規(guī)定之II級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

角焊縫：重要的角焊縫應(yīng)仔細(xì)進(jìn)行外觀檢查，并抽查長度的5%～10%作磁粉探傷，缺陷等級(jí)不大于JB／T6046規(guī)定的I級(jí)要求，磁粉探傷處用角相砂輪打磨。單面角焊縫高度不得小于被焊件中最小板厚的0.7倍。

2.2 加載試驗(yàn)驗(yàn)證

在可調(diào)吊梁探傷合格后，進(jìn)行吊梁加載試驗(yàn)。經(jīng)綜合考慮吊梁的工作負(fù)荷及安全系數(shù)，加載的最大重量確定為 26 t。 加載試驗(yàn)采用逐次遞增，按 12 t、15 t、18 t、21 t、24 t、26 t逐漸加載，每次加載保持起吊狀態(tài)20 min，并進(jìn)行5次起吊沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，觀察吊梁的受力變形；試驗(yàn)后，仔細(xì)檢查焊縫，所有焊縫應(yīng)無裂紋?？烧{(diào)吊梁經(jīng)加載試驗(yàn)驗(yàn)證，強(qiáng)度、剛度能滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)束語

運(yùn)用Pro/E軟件建立了可調(diào)吊梁的三維模型，模型簡化后轉(zhuǎn)入ANSYS軟件中進(jìn)行了靜強(qiáng)度和靜剛度的分析計(jì)算，并采用加載試驗(yàn)的方法對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，可調(diào)吊梁強(qiáng)度、剛度能滿足設(shè)計(jì)要求，使用安全、可靠。

［1］ 周志革.吊梁的有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.機(jī)械設(shè)計(jì),2002（8）:89-90.

［2］ 徐浩.基于有限元的大型摩擦焊機(jī)主軸箱優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2013（3）:114-116.

［3］ 孫訓(xùn)方,方孝淑.材料力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社,1994.

［4］ 邱勇.基于ANSYS的柔輪應(yīng)力與應(yīng)變的有限元分析［J］.機(jī)械制造,2012,50（8）:14-46.

［5］ 劉興龍.軌道車輛牽引拉桿有限元分析［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化,2013（2）:60-61.