关于轴式吊耳局部应力检测方法的探讨

马 松

(中盐工程技术研究院有限公司，天津 300450)

各领域工程项目设备都朝着重型化、大型化的趋势不断发展，与此同时吊装规模也逐渐变大，直接提升了对吊装技术与吊装设备的要求[1]。作为吊装设备的主要连接部件，吊耳与整体吊装技术的吊装安全直接相关，随着特殊性吊装与吊装设备大型化的普及，标准化传统吊耳已经无法满足现今的吊装需求，大型设备吊装中越来越频繁的使用轴式吊耳，而轴式吊耳的局部应力检测问题也已经成为当前整体吊装中的一个重要问题[2]。

相关专家和学者对轴式吊耳的局部应力检测方法进行研究，并取得了一些成果。文献[3]提出一种塔器轴式吊耳强度计算及有限元应力分析方法。应用SW6-2011计算软件对轴式吊耳的局部应力进行核算,引入有限元分析软件对轴式吊耳的受力情况进行整体检测。检测效率较高，但检测准确度较低。文献[4]提出一种大型薄壁设备轴式吊耳局部应力设计计算方法。充分考虑了吊耳处的加厚段，结合WRC 107计算和有限元分析两种方法，对轴式吊耳的局部应力进行计算。相较于文献[3]方法，检测准确度有所提高，但仍然不理想。

为此提出一种轴式吊耳的局部应力检测方法。以获取的轴式吊耳的局部应力值为基础，构建有限元检测模型，完成轴式吊耳局部应力的检测。经过验证得出，该方法的检测准确度大幅度提高，满足轴式吊耳承载能力要求，能够确保吊装安全。

1 轴式吊耳的局部应力检测方法

1.1 局部应力值的获取

轴式吊耳的整体受力包括吊耳管轴水平轴向的分力与弯矩，因此需要对轴式吊耳的局部应力进行简化，然后进行计算[3]。在简化时，要注意轴式吊耳在270°方向与90°方向均不受弯矩作用影响，因此，简化局部应力时只需要考虑180°方向与0°方向的情况即可[4]。简化时的力矩单位是kN·mm、力的单位是kN、长度单位是mm。在简化过程中，按照惯性矩对轴式吊耳的内筋板进行等效，其中，内筋板等效壁厚的计算公式如下：

(1)

式中：S′——内筋板的等效壁厚;d——管轴直径;IB-B——B-B面的惯性矩。

求导吊装系数的计算公式如下：

(2)

式中：D——管轴长度;S0——垫板与挡板的距离;λ——吊装系数。在简化时通常不考虑补强板的影响。

完成局部应力的简化后对局部应力进行计算，首先，查询局部应力的计算系数:以S0/S′、λ、d/S′的值为依据，对相应的索引表进行查询，当查询不出对应的数值时，需要通过插值计算得出相应数值。相应的索引表如表1。

表1 相应的索引表Tab.1 The corresponding index table

续表1 (Continue)

通过查询相应的索引表可以分别得到对应的局部应力计算系数。接着对表面应力与应力强度进行计算:在吊装设备都处于就位状态时，对180 °方向与0 °方向轴式吊耳塔壁的外表面应力与内表面应力分别进行计算，得到相应的应力值;并对180 °方向与0 °方向轴式吊耳塔壁的局部应力进行计算，得到应力强度最大值[5]。将三倍屈服极限与应力强度最大值进行比较，保证应力强度最大值处于三倍屈服极限之内，防止出现局部失稳现象[6]。

1.2 轴式吊耳局部应力有限元检测模型的建立

在完成局部应力值的计算后，利用局部应力值的计算结果描述轴式吊耳的结构力学特性，建立轴式吊耳局部应力有限元检测模型。首先，对轴式吊耳的特征参数进行提取[7]，其中，轴式吊耳的特征参数结构如图1。

图1 轴式吊耳特征参数结构Fig.1 Characteristic parameter structure chart of shaft lifting lug

由于轴式吊耳模型通常由不同厚度的筒状结构与板类结构构成，因此，在建立有限元检测模型时，需要利用去除材料的方法[8]。也就是先要建立有限元检测模型的整体轮廓，接着逐步切割各部分并将多余部分删除，直到获取预期模型为止，在建立整体轮廓时需要细致地把握小尺寸，并根据板类结构的厚度与平板特征尺寸之比进行单元的选取，如表2。

表2 单元选取Tab.2 Unit selection

为了符合薄膜单元、壳单元、实体单元的建模要求，并考虑轴式吊耳的特殊结构，采用Shell 62单元对有限元检测模型进行建立。在检测模型的参数化过程中，结合solid 44实体单元进行参数化设计，得到轴式吊耳的几何结构参数，结合几何造型建模法[9]，完成轴式吊耳局部应力有限元检测模型的构建。

1.3 局部应力检测的实现

根据上述构建的有限元检测模型对轴式吊耳的局部应力进行检测。轴式吊耳局部应力检测包括内部应力检测与表面应力检测，利用有限元检测模型进行检测不需要接触轴式吊耳的工件表面，可以对局部应力进行大范围测量，并且能够清晰、直观的反应轴式吊耳的应力集中现象以及对应力集中系数进行确定。给出轴式吊耳局部应力检测的整体流程如图2。

图2 轴式吊耳局部应力检测流程图Fig.2 Flow chart of local stress detection for shaft lifting lug

利用轴式吊耳局部应力有限元检测模型对轴式吊耳的局部应力进行检测，将有限元检测模型放置在偏振光场内，在需要检测的部分粘贴上光弹性贴片，当给有限元检测模型加上载荷时，光弹性贴片上会对应出现一些较为明显的干涉条纹[10]。如果未出现明显干涉条纹在直接结束检测，反之出现了明显干涉条纹则继续后续处理。由于应力值与这些干涉条纹成对应关系，因此，通过对干涉条纹的数目进行测量，即可确定受载荷状态下轴式吊耳的局部应力状态。当有限元检测模型的应力梯度越大时，就会出现越密集的干涉条纹。利用这种方式，可以大面积对轴式吊耳局部应力条纹图像进行显示，因此，当轴式吊耳受到的载荷情况较为多变以及构件几何形状较为复杂时，都可以利用这种方法对轴式吊耳的局部应力状况进行检测。

2 实验研究

为了验证所提轴式吊耳的局部应力检测方法的有效性和可行性，设计了一个对比实验。

2.1 实验参数

选择某轴式吊耳作为实验吊耳，对其进行整体最大应力值的测试与应力值最大处的测定，发现其应力值最大处位于吊耳管壁与井字内筋板的辉接处，该处由于几何不连续性而发生了应力集中现象，而吊耳管壁外侧的应力值也较大，该处位于钢丝绳接触面与吊耳的中间区域，应力分布也较为集中，分别对吊耳管壁与井字内筋板的辉接处与吊耳管壁外侧进行局部应力检测。给出的实验参数如表3。

表3 实验参数Tab.3 Experimental parameters

2.2 实验过程

为了保证实验的有效性，使用基于参数化技术的吊耳局部应力检测方法、基于力学模型分析的吊耳局部应力检测方法与文章提出的轴式吊耳的局部应力检测方法进行比较，观察实验结果，比较各种方法的应力检测准确度。

2.3 实验结果

利用基于参数化技术的吊耳局部应力检测方法、基于力学模型分析的吊耳局部应力检测方法、轴式吊耳的局部应力检测方法，对实验轴式吊耳的吊耳管壁与井字内筋板的辉接处、吊耳管壁外侧进行局部应力检测，其应力检测准确度对比如图3、图4。

图3 辉接处应力检测准确度对比Fig.3 Accuracy comparison of stress measurement at glow joint

图4 吊耳管壁外侧应力检测准确度对比Fig.4 Comparison of accuracy of stress detection on outside wall of lug tube

分析图3得出，在吊耳管壁与井字内筋板的辉接处，基于参数化技术的吊耳局部应力检测方法的应力检测准确度为70.18%;基于力学模型分析的吊耳局部应力检测方法的应力检测准确度为34.82%;轴式吊耳的局部应力检测方法的应力检测准确度为96.11%。对比三种不同方法的实验结果可得，所提的轴式吊耳局部应力检测方法的应力检测准确度远高于前两种方法的应力检测准确度。

分析图4可知，在吊耳管壁外侧，基于参数化技术的吊耳局部应力检测方法的应力检测准确度为67.21%;基于力学模型分析的吊耳局部应力检测方法的应力检测准确度为29.42%;轴式吊耳的局部应力检测方法的应力检测准确度为93.14%。通过比较可知，轴式吊耳的局部应力检测方法的应力检测准确度最高。

综合上述结果得出，所提的轴式吊耳局部应力检测方法的应力检测准确度远高于传统的检测方法，具有一定的有效性和可行性。

3 结束语

轴式吊耳局部应力检测方法通过轴式吊耳局部应力有限元检测模型的建立，实现了局部应力的检测，且局部应力检测准确度高于传统吊耳局部应力检测方法，该方法的提出对轴式吊耳局部应力检测领域具有很大意义。但该方法在应力检测效率方面尚且存在不足，未来将针对检测效率问题进行深入研究，致力于为吊装安全技术的发展提供有效参考。