基于有限元的吊梁分析

王 乐，王雅彬

（台海玛努尔核电设备股份有限公司，山东 烟台 264003）

吊梁作为工程建设中重要的起重设备，在现代化各行业的建设应用十分广泛。由于吊梁种类多样，形状具有不规则性，通过人工计算受力结构相对复杂，计算量较大，且计算精度不够。随着工程设计和绘图软件的发展，应用计算机有限元分析方法可以提高数据计算精度，为优化吊梁设计提供指导。

1 工程案例

本公司承接某项目钢结构框架模块，其中主体模块重约150t，吊点横向跨度为17m，而起重机两吊钩之间间距为4m，直接起重起吊会造成模块变形。因此，考虑使用安全性、可靠性较高的吊梁设备施工。考虑工程施工成本的控制，使用公司库存的优选钢管。钢管直径为350mm,长度8.5m。由于起吊重量较大，因此在钢管周围焊接T型钢板以提高吊梁的强度和刚性。公司使用的吊梁和其他构件具有通用性，因此，选用的钢管以单独体的制作方式施工应用，必要时两根钢管合并起吊。根据操作经验，起吊构架的主跨距范围在8m～10m时，使用一根吊梁，而构件主跨距为15m～18m时，需要两根吊梁合并起吊。由于承接项目主体模块的跨度为17m，因此，起吊施工中采用两根吊梁合并的方式起吊施工。

2 钢结构吊装系统设计方案

为了确保吊装系统性能的高效发挥，控制吊梁结构变形导致的功能发挥失常，并保证内部设备安全，需要通过建模前的设计方案确定吊装系统。为节约工程成本利用现有钢材为吊装设备横梁，通过板材焊接吊耳，并使用提升千斤顶和吊装平衡梁等构件[1]。

3 有限元模型的建立

使用有限元方法进行分析，首先建立有限元模型。需要根据几何建模、材料属性定义和实常数等设置几何特性参数。根据软件定义单元类型和网格划分，并添加约束和荷载。使用ANSYS软件SHELL181单元的中等厚度壳结构分析功能，对壳板的弯曲和薄膜力学行为的功能进行分析，分析时需要充分考虑板壳结构剪切变形的影响[2]。并对吊梁在作业过程中的抗拉、抗弯及抗压应力实施分析，完成受力构件使用材料的屈服程度分析，优化判断吊梁设计是否可靠、安全。

3.1 模型简化与网格划分

通过有限元SHELLl81单元类型对起吊主梁的安全性和可靠性进行建模分析。建立吊梁有限元模型时可以对吊梁实体进行简化，只需保留主要承载构件和形状结构，以能够反应构件结构的力学特性为主，对非必要承载结构进行简化，尽量规避倒角、螺纹等非必要结构影响网格划分。在运用ANSYS软件进行网格划分时选用计算精度较高的，且具有较高刚度的四面体节点单元，并使用Smansize辅助功能对网格自由划分并进行适当的人工调整[3]，建立的模型共28972个节点和13787的单元，有限元模型见下图图1所示。

图1 吊梁三维几何模型

3.2 数据计算条件和处理

吊梁使用的材料为Q420B高强度钢，根据起重机设计规范计算基本许用应力σ=（0.5σb+0.35σs）/n,其中σb为630MPa,σs为420Mpa,安全系数取1.34，计算结果σ为308MPa,而卸扣轴材料为42CrMo钢，计算其许用应力为589MPa。吊梁材料的弹性模量E为2.10×105MPa,泊松比0.30,密度7850kg/m3。上吊耳提升单元类型为Solid185,材料属性和梁及底架一致。卸扣轴单元类型为Solid185,材料属性42CrMo钢,弹性模量2.06×105MPa,泊松比为0.28,密度7 850 kg/m3，质量元为Mass，约束及载荷采用吊点全约束。荷载简化和边界条件为吊梁的工作荷载150t，计算中施加在节点上的工作荷载为1.47N。

一般情况下，轴和起吊孔的接触位置在下半圆，且接触分布应力可以按照余弦函数分布计算，施加在各节点上的力根据上述原则进行计算。使用有限元方法求解工程问题时需要通过正确的边界条件消除刚体位移机构结构性影响[3]。而该吊梁模型结构的特点和实际约束需要引入对称面边界条件，通过纵向平平移自由度进行约束。

4 吊梁的试验验证

动力荷载试验可以根据钢结构重量的1.1倍施加试验载荷,动力载荷停留位置和施加静载荷位置相同,起重机抬升速度为控制在400mm/min,在离开地面400mm后迅速制动，保持空中停留10min再下降,下降速度同为400mm/min。并通过添加临时荷载进行起吊、降落最少三次的动载荷试验。经过动载和静载模式试验确保吊装设备稳定后，液压同步调控制系统各吊点保持同步使系统灵活运行，确保施工安全可靠。

5 讨论以结果优化

以建立有限元的方法对吊梁进行设计和分析，可以通过有限元的模拟计算提高计算的精确度，对吊梁结构的不同受力构件的应力状况进行分析，得出相对精确的实际施工状态下的吊装结构受力情况。为了吊装结构满足钢结构项目的施工要求，现根据受力结果分析提出以下结论：由于主体吊梁钢管和端板有限元受力分析中满足规定强度要求，因此，不许做额外加强，但受力吊梁主体钢管的应符合GB3811规范要求。端板受力分析满足受力需要，也应根据规范进行严格检验。起吊吊耳受力位置超过许用应力，没有达到规定强度要求。因此，通过在吊耳两侧部位加装相应厚度的钢板，以达到规范要求。并通过后期设计和施工图纸的完善对方案进行确定，使吊装系统的强度达到施工要求。同时液压调平系统模拟调平试验中各吊点能够保持同步位移，且操作具有灵活性，验证了钢结构项目吊装系统设计的合理性。

参考文献

[1]于喜年,王衍,袁雷.某核电站控制厂房整体吊装系统设计[J].黑龙江科技大学学报,2017,(1)：82-86.

[2]方勇.基于ANSYS的可调吊梁设计[J].机械制造,2014,(2)：36-37.

[3]张盛华.吊梁的设计及有限元分析[J].南通纺织职业技术学院学报,2015,(2)：11-13.