有限元分析在吊排结构中的应用研究

刘彦培

（巨力索具股份有限公司技术中心，河北 保定 072550）

有限元分析在吊排结构中的应用研究

刘彦培

（巨力索具股份有限公司技术中心，河北 保定 072550）

随着现代工业化的快速发展，越来越多的工业设备、船厂制造、维修船舶，超高、超重、超大，主要是起吊不同船体分段。为了使吊装变得简化、实用，吊排在专用吊具中作用十分关键。吊排的强度校核变得尤为重要及繁琐，针对此类吊具的使用形式与方法，可以采用有限元进行各个截面及部位的分析，使得吊排的计算简便，吊排的计算更加准确安全。文章就有限元分析在吊排结构中的应用展开了论述。

吊排；多吊点；有限元；倾斜角度吊具；安全；方便校核

首先，我们来通过案例来探讨有限元分析在吊排结构中的应用。以青岛武船重工公司采购的200t分段船体吊排为例（见图1）。

图1 青岛武船重工公司200t分段船体吊排平面图

如果对吊排整体进行计算公式的强度计算，必定有不能计算的部位或有计算结果不准确的数值。现采用有限元对梁体进行分析为例，其他部件类同。结果如下：

1 课题目的

应用有限元方法对200t吊排，进行工作状态下静力分析，得到吊排挠度、应力、应变结果。

2 200t吊排数值模型的建立

2.1 简化原则

200t吊排主要由梁体、吊攀、销轴组件、滑车、卸扣等组成。而吊排结构比较复杂，部件繁多。因此，从有限元分析目的及实际情况出发，认真分析吊排结构的强度、刚度和稳定性，忽略其他因素。在吊排真实受力情况下，对其进行了合理地简化，主要包括：由于本计算主要关心200t吊排的受力状态，故忽略压制钢丝绳索具、滑车、卸扣等，只建立梁体的有限元模型；并将吊攀、吊板、滑车和销轴分别单独作受力计算。

2.2 材料模型

材料本构模型，是描述材料在外力作用下表现出来的力学行为，即应力应变关系，主要指标包括弹性模量、泊松比、屈服强度和破坏强度。吊排的梁体主要制作材料为Q460D，部分板材为Q345B。本计算中的梁体受力过程处于弹性范围，故用弹性性质描述吊排在荷载下的力学行为，各项参数保守选取，其材料参数见表1。

表1 材料参数

3 200吨吊排的静力分析

3.1 计算模型

根据图纸进行建模（部分焊道根据经验设计），具体单元信息（见表2）。

表2 吊排单元信息

模型部分构件形状不规则，主要有梁体、耳板、贴板、上翼板、下翼板、筋板组成。建立的模型图、剖面图以及局部细化图（见图2）。

模拟、分析梁体在额定载荷下的结构应力，有限元计算模型（见图3）。

图2 吊排几何模型

图3 吊排有限元计算模型

3.2 工况荷载

吊排的额定荷载为200t，通过十二个滑车下的压制钢丝绳索具起吊重物，忽略滑车和钢丝绳索具，直接在梁体的销轴安装孔处建立模拟单元。

工况一，梁体中间六个滑车起吊，每个滑车的承载力为30t。在受力滑车对应的定滑轮轴孔处及索具轴孔处建立模拟单元，考虑梁体及附件的自重，施加的总的荷载为190t，即1862kN。

3.3 计算结果及分析

（1）Mises等效应力。在实体结构中，结构处于三维应力状态，应力分布要复杂得多，不能仅用单一方向上的应力分量来判断结构此处的状态，需要根据强度理论进行判断。

（2）工况一计算结果云图。吊排主体材料Q460D的屈服强度为460MPa。在上述工况荷载下，吊排的最大应力（von mises 等效应力）值为222.1MPa，且最大值出现在梁体与吊板连接的吊板轴孔处加载部位的边缘（图中红色部分）（见图4）。

（3）工况一结果分析。①吊排材料的屈服强度460MPa，吊排的最大von mises等效应力值为222.1MPa，而且最大值出现在梁体与吊板连接的吊板轴孔处加载部位的边缘，隐藏该部分受力情况，梁体大部分材料的最大应力（von mises 等效应力）值都小于136.6MPa，未达到材料的屈服强度460MPa。②吊排最大应变为0.0009166，最大应变位置与最大应力位置一致。③吊排最大挠度出现在梁体中部，最大值为7.244mm。

图4 吊排von mises 等效应力云图

4 结束语

通过对结构复杂的吊排，多工况使用形式的吊排中适应性更强、安全性更高，达到非常好的效果。此次案例的研究和分析为同类产品的设计和开发提供了参考价值。

[1]机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,2004.

[2]梁式吊具[S].GB/T26079-2010.

[3]张质文,虞和谦,王金诺,等.起重机设计手册[M].北京:中国铁道出版社,1997.

[4]低合金高强度结构钢[S].GB/T1591-2008.

O242.21

A

1671-3818（2016）04-0053-02

刘彦培（1986-）男，河北保定人，助理工程师，研究方向：梁式吊具。