大型设备专用吊具的参数化设计与有限元分析

张 恒 何 自 强 陈 海 燕 高 嵩 程 志周 奇 才大 型 设 备 专 用 吊 具 的 参 数 化 设 计 与 有 限 元 分 析1 上 海 地 铁 盾 构 设 备 工 程 有 限 公 司 2 同 济 大 学 3 中 国 化 学 工 程 第 三 建 设 公 司1 1 2 2 3 2摘 要 : 大 型 化 工 设 备 的 起 吊 安 装 通 常 使 用 专 用 吊 具 , 由 于 设 备 的 重 量 极 大 , 作 业 时 的 安 全 性 要 求 很 高 ,因 此 吊 具 结 构 尺 寸 的 设 计 和 力 学 性 能 的 优 化 便 成 为 关 键 。 本 文 在 传 统 设 计 方 法 的 基 础 上 , 利 用 SolidWorks 2008和 ANSYSWorkbench10. 0分 别 对 吊 具 进 行 参 数 化 设 计 和 有 限 元 分 析 。 根 据 分 析 所 得 的 应 力 分 布 和 形 变 情 况 , 改良 吊 具 的 结 构 尺 寸 , 最 终 实 现 了 产品在加工生产前的各项性能的优化并在实际作业时满足工作要求 。关 键 词 : 吊 具 ; 参 数 化 设 计 ; 有 限 元 分 析 ;ANSYSWorkbenchAbstract:S pecials ingsa reusualyusedinl argechemialequipmentinstalationandtheirstructur lparametricopti-maldesgnisv eryi mporanttoheavyequipmentistalationsafety.Thepaperofersawaytoperform theparmetricdesignandfniteel mentaalysisoftheslingwithSolidWork2008 andANSYSWorkbench10. 0.Accordingtothestressdi tribu-tiona ddeformationresults, itoptmizesthestructralsizes.I tcanbesrvedasat olf rslingstructuraloptimaldesigntomettheworkingrequirements.Keywords:s ling;parmetricdesign;f niteel mentanalysis;ANSYSWorkbench起 重 吊 具 作 业 时 要 求 连 续 且 平稳 , 特 别 是 在 了 中 国 化 学 工 程 第 三 建 设 公 司 2 000 t 合 成 气 冷 却起 吊 大 型 设 备 时 , 整 个 作 业 要 求 具 有 很 高 的 安 全性 。 传 统 的 设 计 方 法 是 在 已 知 工 况 和 负 载 的 前 提下 依 据 理 论 经 验 及 相 关 手 册 完 成 强 度 、 刚 度 和 稳定 性 校 核 及 机 构 尺 寸 的 计 算 , 而 对 于 吊 具 的 实 际工 作 性 能 在 设 计 阶 段 进 行 全 面 的 了 解 比 较 困 难 。这 一 问 题 随 着 计 算 机 辅 助 设 计 与 分 析 技 术 的 不 断发 展 有 所 改 善 , 利 用 软 件 对 吊 具 进 行 参 数 化 设 计 ,完 成 实 体 建 模 后 加 载 实 际 工 况 进 行 有 限 元 分 析 ,对 吊 具 的 应 力 分 布 和 形 变 情 况 作 定 性 的 认 识 , 为吊 具 结 构 的 改 良 与 优 化 提 供 理 论 依 据 。 本 文 介 绍5 结 论对 于 双 曲 柄 滑 块 式 转 向 机 构 , 可 以 利 用 本 文所 建 立 的 优 化 数 学 模 型 进 行 分 析 计 算 。 本 文 在 求解 优 化 模 型 方 面 , 借 助 了 Matlab 提 供 的 优 化 函 数进 行 求 解 , 省 去了 大 部 分 自编 计 算 程 序的 工作 ,器 起 吊 吊 具 的 设 计 过 程 , 在 结 合 传 统 设 计 方 法 的基 础 上 对 重 要 零 部 件 运 用 SolidWorks 2008 建 模 和ANSYSWorkbench10.0 分 析 实 现 参 数 化 设 计 , 最终 完 成 零 件 三 维 建 模 。 这 一 设 计 思 想 在 提 高 产 品设 计 生 产 效 率 的 同 时 也 突 出 了 计 算 机 辅 助 设 计 与分 析 对 重 型 装 备 设 计 的 重 要 辅 助 作 用 。1 吊 具 设 计 总 体 方 案本 吊 具 起 吊 2 000 t 的 载 荷 , 初 步 设 计 主 要 由连 接 螺 栓 、 连 接 螺 母 、 上 下 销 轴 、 横 梁 、 上 下 U术 , 1984 ( 2)2 王 凤 舞 . 曲 柄 滑 块 式 转 向 机 构 的 分 析 计 算 . 叉 车 技 术 ,1987 ( 3)3 陆 植 . 横 置 液 压 缸 式 简 单 转 向 梯 形 机 构 . 叉 车 技 术 ,1988 ( 1)4 Matlab 6.5联 机 帮 助 OptmizationToolbox:f mi con该 方 法 可 以 为 其 他 类 似 的 优 化 数 学 模 型 求 解 提 供有 益 借 鉴 。作 地 邮 者 : 王 勇址 : 合 肥 市 望 江 西 路 15号 安 徽 合 力 股 份 有 限 公 司编 : 230022参 考 文 献1 赵 振 宋 . 推 挽 式 叉 车 转 向 机 构 参 数 的 快 速 确 定 . 叉 车 技收 稿 日 期 : 2008 - 09 - 16 60 起 重 运 输 机 械 2009 ( 6)状 或 尺 寸 做 较 小 变 动 。 本 文 采 用 这 一 设 计 思 想形 夹 、 限 位 螺 栓 、 吊 环 、 内 外 吊 环 销 轴 以 及 推 力轴 承 等 组 成 , 吊 具 模 型 见 图 1。 起 吊 装 置 通 过 钢 丝绳 穿 过 吊 具 横 梁 与 其 底 部 连 接 装 置 固 定 连 接 , 横梁 与 上 U 形 夹 , 下 U 形 夹 与 吊 环 分 别 由 上 下 销 轴连 接 。 上 、 下 U 形 夹 采 用 螺 栓 连 接 , 连 接 螺 栓 与上 U 形 夹 之 间 安 装 推 力 圆 柱 滚 子 轴 承 使 上 、 下 U形 夹 可 以 相 对 转 动 。 下 销 轴 上 的 4 个 吊 环 两 两 对应 , 分 别 穿 入 内 外 吊 环 销 轴 , 绕 在 内 外 吊 环 销 轴上 的 钢 丝 绳 与 载 荷 连 接 。图 1 吊 具 模 型 图2 参 数 化 设 计 及 ANSYSWorkbench 有 限元 分 析2.1 参 数 化 设 计在 进 行 产 品 设 计 过 程 中 由 于 较 以 往 产 品 的 结构 形 式 大 体 相 同 , 仅 针 对 工 况 不 同 对 具 体 模 型 形 1(如 图 2), 对 2 000 t 合 成 气 冷 却 器 起 吊 吊 具 与 传统 吊 具 比 较 分 析 , 结 合 材 料 力 学 知 识 初 估 结 构 尺寸 , 检 测 其 抗 弯 强 度 , 调 整 尺 寸 使 其 满 足 抗 弯 强度 , 从 而 确 定 基 本 尺 寸 , 如 设 计 横 梁 时 , 确 定 腹板 尺 寸 、 上 下 翼 板 尺 寸 等 , 再 应 用 SolidWorks 建 模导 入 ANSYSWorkbench 进 行 有 限 元 分 析 , 若 分 析结 果 显 示 整 体 结 构 刚 度 、 强 度 不 满 足 要 求 , 则 相应 修 改 模 型 尺 寸 。 若 分 析 结 果 显 示 满 足 刚 度 、 强度 要 求 , 则 确 定 各 零 部 件 具 体 尺 寸 并 装 配 , 完 成整 个 吊 具 设 计 。 文 中 应 用 的 参 数 化 设 计 思 想 与 传统 设 计 方 法 相 比 , 能 在 设 计 阶 段 对 于 吊 具 的 实 际工 作 性 能 进 行 全 面 的 了 解 分 析 , 可 减 少 生 产 周 期 ,提 高 生 产 效 率 。2.2 ANSYSWorkbench 有 限 元 分 析ANSYSWorkbench 是 用 ANSYS 求 解 实 际 问 题的 新 一 代 产 品 。 它 是 ANSYS 公 司 提 出 的 一 种 新 的协 同 仿 真 环 境 , 用 于 解 决 企 业 在 产 品 研 发 过 程 中CAE 软 件 的 异 构 问 题 , 保 证 很 好 的 CAE 结 果 。图 2 参 数 化 建 模 分 析 流 程 由 4 个 模 块 构 成 :DM (DesignModel r) 可 建 立 CAD 模 型 ; DS (DesignS imula-tion) 是 ANSYS 的 求 解 器 , 用 于 结 构 分 析 ;DX(DesignXplorer) 用 于 研 究 变 量 的 输 入 对 响 应 的 影响 ;FEModeler 用 于 把 Nastran 网 格 转 化 到 ANSYS中 , 集 成 建 模 、 仿 真 、 分 析 、 前 后 处 理 于 一 体 的无 缝 链 接 。 ANSYSWorkbench 能 实 现 多 个 CAD 软件 接 口 之 间 数 据 的 交 换 和 共 享 。采 用 SolidWorks 2008建 立 的 模 型 以 .i gs 格 式保 存 , 在 ANSYS 的 新 一 代 仿 真 环 境 AWE (ANSYSWorkbenchE nvironment) 中 导 入 模 型 , 应 用 其 中 的DesignSimulation 模 块 对 零 件 进 行 刚 度 、 强 度 分 析 ,流 程 为 定 义 材 料 属 性 、 划 分 网 格 、 施 加 载 荷 和 边界 条 件 , 最 终 根 据 结 构 的 应 力 云 图 和 变 形 云 图 检测 结 构 的 刚 度 、 强 度 情 况 。3 主 要 零 部 件 参 数 化 设 计 与 有 限 元 分 析3.1 横 梁3.1.1 初 步 设 计 方 案(1) 结 构 形 式 与 材 料横 梁 结 构 形 式 如 图 3 所 示 , 由 上 下 翼 板 、 前后 侧 腹 板 、 左 右 侧 盖 板 组 成 , 下 翼 板 焊 接 凸 台 与起 吊 装 置 连 接 。 横 梁 选 用 15MnV 钢 材 焊 接 , 其 抗s拉 强 度 b =355 MPa, 许 用 应 力 =n355.000 =236.670 MPa。1.5横 梁 结 构 见 图 4, 按 经 验 : 1、 4为 翼 板 , 尺 寸为 1 300 mm 30 mm; 2、 3 为 腹 板 , 尺 寸 为 30mm1 280 mm。 不 考 虑 腹 板 吊 耳 对 强 度 的 增 强 作用 , 横 梁 弯 曲 强 度 计 算 的 危 险 截 面 取 横 梁 中 部 。 起 重 运 输 机 械 2009 ( 6) 61 对 材 料 属 性 进 行 定 义 :E= 2. 06 10 MPa, u=0. 3, =7. 81 10 kg/mm。 然 后 划 分 网 格 , 网0. 03 = 0. 020 58 mI = I = 2 ( 0. 020 58 + 0. 005 24) 0. 051 64 m5- 6 3图 3 横 梁 初 步 结 构图 4 横 梁 结 构 示 意 图( 2) 设 计 参 数1 4 1 3 2Iy =Iy = 1.400 0.03 +0.700 1.400 1242 3 1 3 4Iy =Iy = 0.03 1.280 =0.05 24 m12总 惯 性 矩4iy yi= 14Iy 0.051 64 3弯 曲 截 面 系 数 Wt = = =0.080 69 mH 0.64根 据 要 求 , 载 荷作 用 在横 梁 下 翼板 底 部 2 侧 各1 000 t, 到 中 心 的 水 平 距 离 为 1 700 mm。计 算 最 大 正 应 力M 1 000 1 000 9.8 1 700max = =Wt 0.080 69 109=206.469 MPa式 中 :M 为 横 梁 在 中 部 的 最 大 弯 矩 。 许 用 应 力 =236.670 MPa, 所 以 max 。 此 结 构 抗弯 强 度 满 足 要 求 。( 2) 有 限 元 分 析为 检 测 该 结 构 设 计 在 实 际 工 况 下 整 体 的 安 全性 , 应 用 有 限 元 进 行 具 体 分 析 。 首 先 定 义 材 料 属性 , 常 用 材 料 可 以 在 材 料 库 中 读 取 , 非 常 用 材 料通 过 EngineeringDat 填 写 设 计 卡 片 对 Geometry 中的 Material 定 义 其 相 关 属 性 。 因 为 15MnV 为 非 常用 材 料 , 所 以 应 用 Engie ringData 填 写 设 计 卡 片格 的 划 分 是 有 限 元 分 析 前 处 理 中 的 重 要 部 分 , 将对 分 析 结 果 产 生 重 大 影 响 。 AWE 的 网 格 划 分 比 较智 能 化 , 有 多 种 控 制 方 法 , 本 文 采 用 尺 寸 控 制 方法 , 通 过 El mentSize 选 项 调 整 合 适 的 尺 寸 生 成网 格 。施 加 载 荷 和 边 界 条 件 得 到 图 5 横 梁 初 步 结 构Von-Mises 应 力 云 图 和 图 6 横 梁 初 步 结 构 应 变 云图 。 图 示 在 横 梁 腹 板 吊 孔 处 应 力 分 布 过 于 集 中 产生 最 大 应 力 和 应 变 值 , 腹 板 2 侧 区 域 产 生 较 大 应力 约 300 MPa, 且 其 大 部 分 结 构 的 应 力 值 均 大 于 材料 的 允 许 应 力 值 236.670 MPa。 总 体 而 言 此 结 构 腹板 吊 孔 处 刚 度 、 强 度 不 能 满 足 要 求 , 需 要 对 其 尺寸 进 行 修 改 。图 5 横 梁 初 步 结 构 应 力 云 图图 6 横 梁 初 步 结 构 应 变 云 图3.1.2 修 改 设 计(1) 修 改 方 案由 于 原 设 计 中 腹 板 吊 孔 处 的 应 力 很 大 , 将 上下 翼 缘 板 和 腹 板 的 厚 度 增 加 变 为 40 mm, 横 梁 总 长度 为 4 600 mm, 总 宽 度 为 1 430 mm。 并 在 下 翼 板中 部 开 槽 , 改 为 安 装 4 块 腹 板 ; 上 下 2 块 翼 板 有 对应 的 4 个 通 孔 在 应 力 集 中 部 位 加 厚 , 提 高 横 梁 整体 强 度 ; 针 对 腹 板 2 侧 区 域 应 力 值 较 大 , 在 下 翼板 和 腹 板 之 间 沿 坡 度 增 加 筋 板 降 低 腹 板 受 力 , 并在 横 梁 内 部 上 下 翼 板 之 间 安 装 4 个 圆 筒 , 圆 筒 与上 下 翼 板 的 圆 孔 同 心 , 以 便 起 吊 钢 丝 绳 从 中 穿 入 ,圆 筒 采 用 无 缝 钢 管 结 构 , 外 径 450 mm, 壁 厚 62 起 重 运 输 机 械 2009 ( 6)施 加 载 荷 和 边 界 条 件 如 图 8轴 区 域 , 最 大 变 形 量 为 2. 252 mm , 结 构 的 变 形10 mm, 高 度 1 230 mm;应 用 SolidWorks 2008 对图 3 横 梁 修 改 结 构 参 数 , 得 到 如 图 7 所 示 结 构 。( 2) 有 限 元 分 析应 用 ANSYSWorkbench10.0进 行 有 限 元 分 析 , 3 , 得 到 图 9 和 图 10的 Von-Mies 应 力 云 图 和 变 形 云 图 。 图 中 由 于 应力 集 中 而 在 局 部 区 域 产 生 的 较 大 应 力 值 (图 11)均 小 于 材 料 的 许 用 应 力 236.670 MPa, 且 其 应 力 分布 情 况 良 好 。 图 10表 示 最 大 变 形 发 生 在 腹 板 与 销 4比 较 小 , 而 且 力 学 性 能 可 以 满 足 实 际 作 业 的 强 度要 求 , 此 结 构 设 计 合 理 。 如 果 通 过 传 统 经 验 计 算的 设 计 方 法 则 必 须 在 其 试 制 完 成 之 后 才 能 确 定 其各 项 性 能 , 再 修改 尺 寸 参 数进 一 步 地 优化 结构 ,这 不 仅 增 加 了 成 本 , 也 延 长 了 设 计 的 周 期 。图 7 横 梁 结 构 图图 8 横 梁 载 荷 图图 9 Von-Mies 应 力 云 图3.2 上 、 下 U 形 夹上 、 下 U 形 夹 的 结 构 和 尺 寸 相 同 , 材 料 均 为ZG50Mn2, 抗 拉 强 度 s = 445 MPa, 许 用 应 力s 445.000 5 s = = =111.250 MPa 。 初 步 设 计n 4图 10 横 梁 变 形 云 图图 11 局 部 应 力 云 图选 2 处 夹 口 的 厚 度 均 为 180 mm, 总 高 度 为2 000 mm, 夹 口 与 底 部 弧 度 为 100 mm, 建 模 后 进行 有 限 元 分 析 。根 据 分 析 , 在 U 形 夹 吊 孔 与 销 轴 配 合 处 , 工作 时 的 接 触 应 力 较 大 , 考 虑 将 U 形 夹 夹 口 处 的 厚度 增 加 为 200 mm, 并 且 夹 口 与 底 部 弧 度 增 大 为250 mm, 以 增 大 U 形 夹 弯 曲 点 处 的 强 度 。 在 铸 造时 底 部 增 加 凸 台 , 以 减 少 上 、 下 U 形 夹 的 接 触 面积 , 总 高 度 增 加 为 2 100 mm。图 12 Von-Mies 应 力 云 图图 13 上 U 形 夹 变 形 云 图图 12和 图 13分 别 为 修 改 后 的 上 U 形 夹 Von- 起 重 运 输 机 械 2009 ( 6) 63 小 于 175. 000 MPa 即 小 于 材 料 的 许 用 应 力 , 且 其应 力 分 布 合 理 。 从 图 15可 以 看 出 最 大 变 形 发 生Mi es 应 力 云 图 和 变 形 云 图 。 由 于 应 力 集 中 问 题 ,在 销 轴 对 U 形 夹 作 用 力 的 反 向 方 向 区 域 将 产 生 较大 应 力 值 , 但 其 应 力 值 均 小 于 材 料 的 许 用 应 力 值111.250 MPa, 且 其 应 力 分 布 情 况 良 好 。 图 13所 示最 大 变 形 发 生 在 U 形 夹 夹 座 区 域 , 最 大 变 形 量 为域 和 螺 纹 线 起 始 区 域 产 生 较 大 应 力 , 其 应 力 值 均 6 7在 螺 栓 的 尾 部 , 最 大 变 形 量 为 0.940 mm, 说 明 结构 的 变 形 也 比 较 小 , 符 合 要 求 。 此 结 构 设 计 合 理 ,0.463 mm, 说 明 结 构 的 变 形 比 较 小 , 符 合 实 际 工 其 力 学 性 能 可 以 满 足 设 计 的 刚 度 、 强 度 要 求 8 。况 。 所 以 此 结 构 设 计 合 理 , 其 力 学 性 能 可 以 满 足设 计 的 刚 度 、 强 度 要 求 。3.3 连 接 螺 栓 与 螺 母连 接 螺 栓 与 螺 母 起 到 连 接 上 下 U 形 夹 的 作 用 ,承 受 的 拉 力 为 2 000 t 以 上 , 选 用 的 材 料 均 为ZG34Cr2Ni2Mo, 其 抗 拉 强 度 s =700 MPa, 许 用s 700.000应 力 = = =175.000 MPa。n 4采 用 如 横 梁 参 数 化 设 计 相 同 的 方 法 , 考 虑 到连 接 螺 栓 与 螺 母 的 载 荷 情 况 , 螺 纹 采 用 梯 形 螺 纹 ,公 称 直 径 为 420 mm, 螺 距 选 为 24 mm, 螺 栓 的 小径 为 396 mm。 根 据 吊 具 的 配 合 尺 寸 要 求 , 螺 栓 总长 度 为 1 640 mm。 考 虑 到 实 际 载 荷 情 况 和 工 作 的安 全 性 , 螺 母 高 度 350 mm, 由 于 螺 栓 底 部 要 加 工限 位 螺 栓 孔 , 所 以 取 螺 栓 螺 纹 长 度 430 mm。4 结 论以 传 统 设 计 方 法 为 基 础 , 结 合 CAD 技 术 建 立模 型 , 用 有 限 元 分 析 思 想 对 专 用 吊 具 在 实 际 工 况进 行 受 力 分 析 , 得 出 吊 具 重 要 零 部 件 在 静 态 工 况下 的 应 力 云 图 和 变 形 云 图 , 为 其 安 全 可 靠 性 提 供依 据 , 实 现 吊 具 的 参 数 化 设 计 建 模 与 分 析 , 从 而完 成 吊 具 的 设 计 、 建 模 、 分 析 、 改 良 、 优 化 等 5个 步 骤 的 无 缝 链 接 , 简 化 传 统 专 用 吊 具 的 设 计 过程 并 提 高 生 产 率 。 相 信 通 过 CAE 技 术 的 不 断 进 步 ,该