作者：於萬成
摘 要：在分析試驗吊籠受載情況的基礎上，用Solidworks 軟體建立了試驗吊籠的三維模型，採用有限元分析軟體Ansys Workbench 對其進行分析，通過分析計算可以顯示出試驗吊籠的應力及應變情況，最大應力值和位移值。結果表明，吊籠的強度和剛度均滿足要求。
0 引言
根據GB/T 5905 － 2011《起重機試驗規範和程序》第3.2 條規定：起重機在出廠交付使用前，製造商應對其進行試驗和檢驗。對於在使用地點進行安裝或總裝的起重機，也應在投入使用前進行試驗和檢驗[1]。標準規定的試驗和檢驗包括起重機性能的合格試驗和檢驗、目測檢驗和起升載荷試驗等3 種類型。起升載荷試驗主要包括靜載試驗和動載試驗，靜載試驗的目的是檢驗起重機以及各結構件的承載能力，每個起升機構的靜載試驗應分別進行，靜載試驗的載荷為1.25 G n[1]。對於橋式起重機，G n 為起重機的額定起重量。靜載試驗的目的是檢驗起重機以及各結構件的承載能力，同時對試驗所用的試驗吊籠也是一個苛刻的考驗。
根據GB/T 22415 － 2008《起重機對試驗載荷的要求》，試驗載荷可以是單個單元或是由幾部分組成。有些起重機的額定起重量非常大，採用單個單元的試驗載荷很難實現，且試驗載荷為逐漸加載，故只能採用由幾個已知質量的部分來組成試驗載荷，試驗吊籠加試重塊作為試驗載荷就是常用的方法[2]。
1 基本情況
該試驗吊籠用於國內某水電站，用戶要求吊籠中間分節能單獨服務於500 t 橋式起重機，組成整體後利用中間的吊點服務於1 300 t 橋式起重機，利用外側的兩個吊點服務於2×320 t 門式起重機，使用情況較複雜。這不僅是對起重機金屬結構的一個考驗，同樣對試驗吊籠也是一個嚴苛的考驗。為了滿足用戶的使用要求，試驗吊籠分為3 節，採用箱形梁為主體框架，結合平臺形成平面整體的結構形式。同時，根據試驗載荷布置形式組裝成型後的箱形吊籠尺寸不大於：14 700 mm×8 700mm×3 100 mm（長× 寬× 高），分節允許最大外形尺寸不大於：8 700 mm×4 900 mm×3 100 mm（長×寬× 高），吊籠節與節之間採用高強度螺栓連接，吊籠的3 個吊點處均設置移軸裝置，使銷軸可方便地穿過橋、門式起重機的吊具並可靠的固定。本文僅介紹1300 t 橋式起重機在最大試驗載荷狀態下試驗吊籠的有限元分析情況。
由於該試驗吊籠使用工況較多，結構形式較複雜，承載亦較大，採用常規的計算方法較難計算清楚吊籠箱梁各截面所受應力以及變形的大小。而常規設計時僅採用類比法進行設計，致使設計人員只考慮結構的可行性方案，很難確定吊籠的薄弱之處，以及所關心部位的應力和變形等具體數值大小，會造成產品不合格或材料浪費的情況。因此，本研究採用三維軟體SolidWorks對試驗吊籠進行三維建模，利用有限元軟體AnsysWorkbench 進行分析計算，得出吊籠的應力和應變雲圖，並對吊籠的結構進行分析、優化。
2 模型的建立
如圖1 所示，試驗吊籠由主梁、邊梁、連接梁、平臺、移軸裝置等部件組成，其中主梁、邊梁、連接梁由上下翼緣板和左右腹板焊接而成的箱形梁組成，平臺由鋼板焊接成的工字梁組成, 試驗吊籠各梁截面基本參數如表1 所示。
1. 主梁 2. 邊梁1 3. 邊梁2 4. 連結梁1 5. 連結梁2
6. 連結梁3 7. 連結梁4 8. 連結梁5
圖1 試驗吊籠的結構簡圖
對試驗吊籠進行建模時，簡化了一些無關緊要的部件和特徵，如移軸裝置、高強螺栓孔、倒角、圓角以及邊稜角等。同時，認為各焊接件本身無缺陷，焊接牢固，無虛焊、漏焊、鬆脫等現象，焊接後殘餘應力不足以影響分析結果。將各焊接件部件視為一個整體，其分析模型如圖2 所示。
圖2 試驗吊籠的三維模型
有限元模型採用SmoothTransition 單元來劃分其網格，共生成節點數716 721，單元數94 020，試驗吊籠的網格劃分情況如圖3 所示。
圖3 試驗吊籠的網格劃分
1）材料特性 試驗吊籠主要受力件材料為Q345B，材料的彈性模量E ＝ 209 GPa，泊松比μ ＝ 0.269，密度ρ ＝ 7 850 kg/m3，抗拉強度σb ＝ 470 MPa，屈服強度σs＝ 275 MPa。
2）約束 在連接鉸軸處的平面施加約束條件，各平面加載相應的載荷以及試驗吊籠的自重載荷力作用。
3）載荷的施加 ①試重塊分為5 t 和10 t 兩種規格，5 t 試重塊外形尺寸為：1 606 mm×1 006 mm×495 mm，10 t 試重塊外形尺寸為：1 607 mm×1 007 mm×965 mm。②試重塊在試驗吊籠上堆放三層，試重塊的放置數量及排布如表2 所示。
吊籠自重約225 t，試重塊加上吊籠自重，總質量約為4×5 t ＋ 138×10 t ＋ 225 t ＝ 1 625 t。每層試重塊布置如圖4 所示，試重塊布置僅供參考，可根據實際情況適當調整試重塊數量與位置，使吊籠自重加上試重塊總重約為1 625 t，但務必使試重塊的擺放儘可能對稱布置，以防出現試重塊不平衡現象。由於梁接頭處的螺栓頭高出吊籠平面，放試重塊時可適當墊板找平。
圖4 試重塊布置圖
按載荷的近似分布情況進行力的施加，載荷分布情況如圖5 所示。
圖5 載荷分布情況
3 分析結果
圖6 為等效應力分布雲圖，從圖中可以看出，排除軸孔下方加強板因約束導致應力集中情況外，吊籠中部軸孔處應力較大，最大值為84.878 MPa；吊籠中部兩端上表面應力較大，最大值為92.682 MPa，均小於材料許用應力值：275÷1.34 ＝ 205.2 MPa，滿足要求[3]。
圖6 等效應力分布
圖7 為位移分布雲圖，從圖中可以看出，吊籠位移值從中間向兩端位置呈現遞增趨勢，最大位移值為3.52 mm。
圖7 位移分布
4 結束語
本文應用Ansys Workbench 軟體對1 300 t 橋式起重機試驗吊籠進行了有限元分析，能夠直觀、準確地得到試驗吊籠任意位置的應力、應變分布規律。通過分析結果可知最大等效應力和最大位移分別小於其許用值，故該設計符合強度和剛度的設計要求，且有一定的安全調整空間，為進一步優化設計提供了有益的參考，具有一定的工程實際意義。目前，該試驗吊籠已經運抵用戶現場，經過用戶精心組織、策劃該吊籠目前已經完成多臺起重機的靜載試驗，現場所測得的應力和變形值均能夠滿足設計要求。
參考文獻
[1] GB/T5905 － 2011 起重機試驗規範和程序[S].
[2] GB/T22415 － 2008 起重機對試驗載荷的要求[S].
[3] GB/T 3811 － 2008 起重機設計規範[S].
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