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基于ANSYS的吊梁结构设计研究

来源:    2017-11-24 16:46

摘要:​随着中国经济的快速发展,许多港口、码头既得到了实惠但同时又接受着考验。由于散货形式的多样性使得标准集装箱吊具无法完成起吊的任务。为了能方便起吊所有的货物,专门设计了一种用于起吊非标准集装箱以及散货的吊梁。众所周知,梁结构是工程中一种比较常用的结构,尤其在起重机械、专用吊梁中最为常见。随着材料科学和焊接工艺的发展,现代起重机械上的梁如岸桥主梁、场桥主梁朝着大跨度、轻型化和柔性化方向发展,这就对梁的结构设计提出了更高的要求,需要对梁结构的各种力学性能进行计算与分析,如静态力学特性、强度、刚度与变形等。随着计算机辅助技术方法的发展,用数值分析的方法进行此类问题的计算可以节省大量的人力、物力和时间。目前最为有效的数值分析方法是有限元法。ANSYS是大型通用有限元软件,被广泛应用于港口机械及起重运输机械中,它具有强大的前处理及计算分析能力。

随着中国经济的快速发展,许多港口、码头既得到了实惠但同时又接受着考验。由于散货形式的多样性使得标准集装箱吊具无法完成起吊的任务。为了能方便起吊所有的货物,专门设计了一种用于起吊非标准集装箱以及散货的吊梁。众所周知,梁结构是工程中一种比较常用的结构,尤其在起重机械、专用吊梁中最为常见。随着材料科学和焊接工艺的发展,现代起重机械上的梁如岸桥主梁、场桥主梁朝着大跨度、轻型化和柔性化方向发展,这就对梁的结构设计提出了更高的要求,需要对梁结构的各种力学性能进行计算与分析,如静态力学特性、强度、刚度与变形等。随着计算机辅助技术方法的发展,用数值分析的方法进行此类问题的计算可以节省大量的人力、物力和时间。目前最为有效的数值分析方法是有限元法。ANSYS是大型通用有限元软件,被广泛应用于港口机械及起重运输机械中,它具有强大的前处理及计算分析能力。

文中首先利用INVENTOR三维建模软件建立吊梁的三维模型,之后利用ANSYS10.0对该吊梁分别在两种连接方式下所受偏载工况进行有限元分析,得到了该吊梁分别在两种工况下的变形及应力分析数据,经过反复多次优化,最终设计出符合要求的吊梁。在分析过程中,比较两种连接方式下吊梁的变形和应力变化情况,并在符合吊梁设计使用等级的情况下分析吊梁的疲劳应力,从而使吊梁的设计更加合理。

2、总体方案设计

2.1设计要求

根据吊梁的实际工况可知该吊梁须满足以下要求:1.两种连接方式,既能与上架连接又能与双箱吊具连接;2.必须能进入船舱作业,因此该吊梁的外形尺寸不能超过40’集装箱的外形尺寸12192mm×2438mm范围;3.功能的多样性,即必须具备10’、 15’、 25’、 30’、 35’和40’非标准集装箱以及散货的起吊能力;4.额定起重量60T及其他技术要求。

2.2两种方案的比较

根据要求可行的设计方案有两种:双梁结构和单根箱型梁结构。为此对两种方案比较如下:a.双梁结构。此种结构可以利用两根工字钢作为联系梁从而增加梁的整体稳定性,但是由于多组吊耳的存在使得两吊耳间的加强筋增加,从而增加了吊梁的重量;采用两组箱型梁作为联系梁使得吊梁的刚度非常富裕,既浪费了成本又增加了重量。b.单根箱型梁结构。箱形截面梁以其优良的力学特性――具有较大的刚度和强大的抗扭性能和结构简单、受力明确、节省材料、架设安装方便等诸多优点。采用单梁的箱型梁结构虽没有采用双根箱型梁结构的稳定性好,但是却大大减少了重量,同时在符合设计要求的前提下稳定性足够。为此选用单根箱型梁的结构。

3、有限元分析

3.1三维模型的建立

结合设计要求,采用单根箱型梁的设计方案,利用INVENTOR软件初步设计吊梁的三维模型。该吊梁主要由箱型主梁、箱型中间梁和箱型端梁组成,与上架相连时采用单板连接,与双箱吊具相连时采用箱梁预留孔的连接方式。

3.2有限元分析

从吊梁的设计要求可知,该吊梁有两种连接方式即与上架连接和与双箱吊具连接。与上架连接时,吊梁的最大工况相当于一个有四点支撑的简支梁,最大载荷位于载荷为40‘吊耳处。与双箱吊具连接时,吊梁的最大工况相当于一个有八点支撑的简支梁,最大载荷位于25’吊耳处。

在此次分析过程中,首先定义线弹性结构材料的相关参数,如表1所示,利用workbench默认的网格类型,通过固定吊梁的四个上架吊耳,施加在40’吊耳位置处的偏载对此吊梁进行最大工况下的应力分析。

通过ANSYS软件对吊梁两种工况下的分析结果分比恩如下图所示:

从上面的分析可知,与上架连接时最大应力出现在梁中部的上翼板处,最大应力为197.68MPa,吊耳处的最大应力为上架吊耳处145MPa。最大应变出现在梁的两端且随偏载的大小两端的变形量有很大的变化。与双箱吊具连接时最大应力出现在两侧转销的大约中部位置处,最大应力为107.58MPa,吊耳处的最大应力为25’吊耳处145MPa。最大应变出现在梁两侧转销的中部位置处且随偏载的大小两端的变形量有很大的变化。

为计算吊梁的疲劳应力,需要对梁进行许用疲劳应力计算,由吊梁的使用等级为8级,查BS 2573标准可知,吊梁的寿命为50万次,许用疲劳应力为169MPa。由于与上架连接为最危险的工况,所以对吊梁下40’吊耳处施加153KN的载荷,利用ANSYS软件计算如下。

由计算结构可知,最大应力为111.09,远小于50万次的许用应力169MP,所以此吊梁在许用寿命内应力足够,完全符合设计要求。

4、试验验证

为验证实际方案的可行性,对该吊梁进行150%的静态载荷试验。借助公司现有吊具静载试验平台,通过制作相关试验工装包括利用8根双箱吊具中部伸缩油缸作为起吊门架的动力,利用钢丝绳、钢丝绳夹等相关辅件固定吊梁,调整系统工作压力到10MPa,对该吊梁进行出厂 验证,从而验证了该吊梁完全符合额定载荷150%的承载能力。

试验结果表明,吊梁的设计符合设计的静态载荷要求,满足出厂的前提条件。

5、结论

本文结合当今码头存在的问题,专门设计了一种特种吊梁,使得一些非标准集装箱以及散货起吊成为可能,并且再次验证了利用ANSYS有限元分析软件能快速、准确的完成设计任务,使产品尽快的投入使用。

利用ANSYS进行吊梁的结构应力分析符合实际,吊梁的结构设计是合理的,强度设计是符合要求的。