摘 要：本文根據(jù)各大港口普遍存在的問題，專門設(shè)計一種用于起吊非標準集裝箱以及散貨的特種吊梁。在設(shè)計過程中，首先選擇一種最優(yōu)的設(shè)計方案；其次利用INVENTOR三維軟件建模，利用ANSYS有限元分析軟件對該吊梁進行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，從而最終設(shè)計出一種滿足設(shè)計載荷要求的吊梁；最后利用試驗的手段對所設(shè)計的吊梁進行載荷試驗測試，最終驗證了所設(shè)計的吊梁完全能滿足設(shè)計載荷要求。
關(guān)鍵詞：ANSYS；吊梁；設(shè)計
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.245
1 引言
隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，許多港口、碼頭既得到了實惠但同時又接受著考驗。由于散貨形式的多樣性使得標準集裝箱吊具無法完成起吊的任務(wù)。為了能方便起吊所有的貨物，專門設(shè)計了一種用于起吊非標準集裝箱以及散貨的吊梁。眾所周知，梁結(jié)構(gòu)是工程中一種比較常用的結(jié)構(gòu)，尤其在起重機械、專用吊梁中最為常見。隨著材料科學和焊接工藝的發(fā)展，現(xiàn)代起重機械上的梁如岸橋主梁、場橋主梁朝著大跨度、輕型化和柔性化方向發(fā)展，這就對梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了更高的要求，需要對梁結(jié)構(gòu)的各種力學性能進行計算與分析，如靜態(tài)力學特性、強度、剛度與變形等。隨著計算機輔助技術(shù)方法的發(fā)展，用數(shù)值分析的方法進行此類問題的計算可以節(jié)省大量的人力、物力和時間。目前最為有效的數(shù)值分析方法是有限元法。ANSYS是大型通用有限元軟件，被廣泛應(yīng)用于港口機械及起重運輸機械中，它具有強大的前處理及計算分析能力。
文中首先利用INVENTOR三維建模軟件建立吊梁的三維模型，之后利用ANSYS10.0對該吊梁分別在兩種連接方式下所受偏載工況進行有限元分析，得到了該吊梁分別在兩種工況下的變形及應(yīng)力分析數(shù)據(jù)，經(jīng)過反復(fù)多次優(yōu)化，最終設(shè)計出符合要求的吊梁。在分析過程中，比較兩種連接方式下吊梁的變形和應(yīng)力變化情況，并在符合吊梁設(shè)計使用等級的情況下分析吊梁的疲勞應(yīng)力，從而使吊梁的設(shè)計更加合理。
2 總體方案設(shè)計
2.1 設(shè)計要求
根據(jù)吊梁的實際工況可知該吊梁須滿足以下要求：1.兩種連接方式，既能與上架連接又能與雙箱吊具連接；2.必須能進入船艙作業(yè)，因此該吊梁的外形尺寸不能超過40集裝箱的外形尺寸12192mm×2438mm范圍；3.功能的多樣性，即必須具備10、 15、 25、 30、 35和40非標準集裝箱以及散貨的起吊能力；4.額定起重量60T及其他技術(shù)要求。
2.2 兩種方案的比較
根據(jù)要求可行的設(shè)計方案有兩種：雙梁結(jié)構(gòu)和單根箱型梁結(jié)構(gòu)。為此對兩種方案比較如下：a.雙梁結(jié)構(gòu)。此種結(jié)構(gòu)可以利用兩根工字鋼作為聯(lián)系梁從而增加梁的整體穩(wěn)定性，但是由于多組吊耳的存在使得兩吊耳間的加強筋增加，從而增加了吊梁的重量；采用兩組箱型梁作為聯(lián)系梁使得吊梁的剛度非常富裕，既浪費了成本又增加了重量。b.單根箱型梁結(jié)構(gòu)。箱形截面梁以其優(yōu)良的力學特性——具有較大的剛度和強大的抗扭性能和結(jié)構(gòu)簡單、受力明確、節(jié)省材料、架設(shè)安裝方便等諸多優(yōu)點。采用單梁的箱型梁結(jié)構(gòu)雖沒有采用雙根箱型梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性好，但是卻大大減少了重量，同時在符合設(shè)計要求的前提下穩(wěn)定性足夠。為此選用單根箱型梁的結(jié)構(gòu)。
3 有限元分析
3.1 三維模型的建立
結(jié)合設(shè)計要求，采用單根箱型梁的設(shè)計方案，利用INVENTOR軟件初步設(shè)計吊梁的三維模型。該吊梁主要由箱型主梁、箱型中間梁和箱型端梁組成，與上架相連時采用單板連接，與雙箱吊具相連時采用箱梁預(yù)留孔的連接方式。
3.2 有限元分析
從吊梁的設(shè)計要求可知，該吊梁有兩種連接方式即與上架連接和與雙箱吊具連接。與上架連接時，吊梁的最大工況相當于一個有四點支撐的簡支梁，最大載荷位于載荷為40‘吊耳處。與雙箱吊具連接時，吊梁的最大工況相當于一個有八點支撐的簡支梁，最大載荷位于25吊耳處。
在此次分析過程中，首先定義線彈性結(jié)構(gòu)材料的相關(guān)參數(shù)，如表1所示，利用workbench默認的網(wǎng)格類型，通過固定吊梁的四個上架吊耳，施加在40吊耳位置處的偏載對此吊梁進行最大工況下的應(yīng)力分析。
通過ANSYS軟件對吊梁兩種工況下的分析結(jié)果分比恩如下圖所示：
從上面的分析可知，與上架連接時最大應(yīng)力出現(xiàn)在梁中部的上翼板處，最大應(yīng)力為197.68MPa，吊耳處的最大應(yīng)力為上架吊耳處145MPa。最大應(yīng)變出現(xiàn)在梁的兩端且隨偏載的大小兩端的變形量有很大的變化。與雙箱吊具連接時最大應(yīng)力出現(xiàn)在兩側(cè)轉(zhuǎn)銷的大約中部位置處，最大應(yīng)力為107.58MPa，吊耳處的最大應(yīng)力為25吊耳處145MPa。最大應(yīng)變出現(xiàn)在梁兩側(cè)轉(zhuǎn)銷的中部位置處且隨偏載的大小兩端的變形量有很大的變化。
為計算吊梁的疲勞應(yīng)力，需要對梁進行許用疲勞應(yīng)力計算，由吊梁的使用等級為8級，查BS 2573標準可知，吊梁的壽命為50萬次，許用疲勞應(yīng)力為169MPa。由于與上架連接為最危險的工況，所以對吊梁下40吊耳處施加153KN的載荷，利用ANSYS軟件計算如下。
由計算結(jié)構(gòu)可知，最大應(yīng)力為111.09，遠小于50萬次的許用應(yīng)力169MP，所以此吊梁在許用壽命內(nèi)應(yīng)力足夠，完全符合設(shè)計要求。
4 試驗驗證
為驗證實際方案的可行性，對該吊梁進行150%的靜態(tài)載荷試驗。借助公司現(xiàn)有吊具靜載試驗平臺，通過制作相關(guān)試驗工裝包括利用8根雙箱吊具中部伸縮油缸作為起吊門架的動力，利用鋼絲繩、鋼絲繩夾等相關(guān)輔件固定吊梁，調(diào)整系統(tǒng)工作壓力到10MPa，對該吊梁進行出廠 驗證，從而驗證了該吊梁完全符合額定載荷150%的承載能力。
試驗結(jié)果表明，吊梁的設(shè)計符合設(shè)計的靜態(tài)載荷要求，滿足出廠的前提條件。
5 結(jié)論
本文結(jié)合當今碼頭存在的問題，專門設(shè)計了一種特種吊梁，使得一些非標準集裝箱以及散貨起吊成為可能，并且再次驗證了利用ANSYS有限元分析軟件能快速、準確的完成設(shè)計任務(wù)，使產(chǎn)品盡快的投入使用！
利用ANSYS進行吊梁的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析符合實際，吊梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計是合理的，強度設(shè)計是符合要求的。
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