于冠英， 楊 晨

(中國有色(沈陽)冶金機(jī)械有限公司， 遼寧 沈陽 110141)

基于AnsysWorkbench筒體吊裝工具有限元分析

于冠英， 楊 晨

(中國有色(沈陽)冶金機(jī)械有限公司， 遼寧 沈陽 110141)

通過Pro/E軟件對MBS4360棒磨機(jī)筒體吊裝工具進(jìn)行三維建模。利用有限元軟件AnsysWorkbench對吊裝工具進(jìn)行仿真計算，得出筒體吊裝工具的變形與強(qiáng)度分布情況，并根據(jù)計算結(jié)果提出了筒體吊裝工具改進(jìn)的建議。

筒體吊裝工具； 有限元； AnsysWorkbench； 強(qiáng)度分布

0 引言

吊裝工具是起重機(jī)械中應(yīng)用比較廣泛的專用吊運(yùn)、取物裝置。吊裝工具是設(shè)備吊裝的支點，是設(shè)備安全、吊裝過程安全的重要保證。吊裝工具的尺寸、負(fù)荷、結(jié)構(gòu)要求都有國家標(biāo)準(zhǔn)(吊裝工具的設(shè)置和相關(guān)要求在化工領(lǐng)域等特種設(shè)備應(yīng)用中的有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，而對于常用機(jī)械結(jié)構(gòu)的吊裝工具基本處于沿用化工標(biāo)準(zhǔn)或經(jīng)驗設(shè)置)。一般按起重量大小直接選用。但是在施工中，經(jīng)常需要在現(xiàn)場自行加工制作專用的吊裝小型構(gòu)件，為了預(yù)防其在吊運(yùn)作業(yè)過程中發(fā)生破壞必須進(jìn)行剛強(qiáng)度計算。

磨機(jī)等回轉(zhuǎn)類設(shè)備的筒體無論在加工、運(yùn)輸、現(xiàn)場安裝等都離不開吊裝工具，它是主要的吊點結(jié)構(gòu)，因此要求有很好的承重能力，為了在吊耳上保證筒體的安全，用AnsysWorkbench對其進(jìn)行仿真模擬，提供了給定設(shè)計方案的結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分布云圖，為對其進(jìn)行失效分析提供理論依據(jù)。

1 有限元分析的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用

有限元方法作為一種數(shù)值方法，在現(xiàn)在的技術(shù)科學(xué)發(fā)展和工程分析實際中得到了廣泛的應(yīng)用。尤其是在工程技術(shù)領(lǐng)域也受力高度重視，主要是因為它的高效和通用性。有限元法用來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析或是用來求解一般場域問題時，主要有以下幾個過程：

(1)問題的轉(zhuǎn)化；

(2)建立有限元模型，確定描述邊界條件和關(guān)聯(lián)因素的元素類型及其形函數(shù)；

(3)形成矩陣解題方程并利用有限元方程組的求解；

(4)與實際問題比較、調(diào)整并優(yōu)化，以達(dá)到最優(yōu)解。

隨著計算機(jī)輔助工程(CAE)技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中的廣度和深度的不斷發(fā)展，它在提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量、縮短周期、節(jié)約成本方面發(fā)揮了越來越重要的作用。目前，CAE分析的對象已由單一的零部件分析拓展到系統(tǒng)級的裝配體，如飛機(jī)、汽車等整機(jī)的仿真。同時，其分析的領(lǐng)域已不再僅僅局限于結(jié)構(gòu)力學(xué)，已涉及流體力學(xué)、熱力學(xué)、電磁學(xué)、多場耦合等更加豐富的物理空間。而且，CAE分析不再僅僅是專職分析人員的工作，涉及人員參與CAE分析已經(jīng)成為必然。

2 AnsysWorkbench簡介和主要功能

AnsysWorkbench把ANSYS系列產(chǎn)品融合在仿真平臺，使數(shù)據(jù)無縫實現(xiàn)傳遞和共享。AnsysWorkbench中提供了與ANSYS系統(tǒng)求解器的強(qiáng)大交互功能的方法，這個環(huán)境提供了一個獨特的CAD及設(shè)計過程的集成系統(tǒng)。該軟件的特點主要是在機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載所出現(xiàn)的反應(yīng)，例如應(yīng)力、位移、溫度等，根據(jù)該反應(yīng)可知道機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載后的狀態(tài)，進(jìn)而判斷是否符合設(shè)計要求。一般機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，受的負(fù)載也相當(dāng)多，理論分析往往無法進(jìn)行。想要解答，必須先簡化結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬方法分析。由于計算機(jī)行業(yè)的發(fā)展，相應(yīng)的軟件也應(yīng)運(yùn)而生，ANSYS軟件在工程上應(yīng)用相當(dāng)廣泛，在機(jī)械、電機(jī)、土木、電子及航空等領(lǐng)域的使用，都能達(dá)到某種程度的可信度，頗獲各界好評。使用該軟件，能夠增加產(chǎn)品和工程的可靠性；在產(chǎn)品的設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)潛在的問題。并且可以基于可視化實現(xiàn)對試驗方案的模擬和優(yōu)化，因此能有效地減少開發(fā)經(jīng)費，降低設(shè)計成本；縮短新產(chǎn)品的開發(fā)和研制周期。

在AnsysWorkbench環(huán)境能夠建立仿真分析模型，將所有CAE(包括FEA/CFD/CEM等)軟件作為求解器進(jìn)行調(diào)用進(jìn)而進(jìn)行仿真分析，并對其結(jié)果優(yōu)化設(shè)計。將所得CAD模型經(jīng)過網(wǎng)格劃分、施加邊界條件與載荷工況，然后調(diào)用到CAE程序進(jìn)行求解分析，還可以對CAE的計算結(jié)果進(jìn)行參數(shù)化后優(yōu)化計算。

AnsysWorkbench軟件是能夠融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用智能化有限元軟件，廣泛的用于機(jī)械制造、能源、汽車交通、國防軍工、核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、電子、土木工程、生物醫(yī)學(xué)、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究等領(lǐng)域。

3 筒體吊裝工具的基本參數(shù)

棒磨機(jī)筒體吊耳Q345B機(jī)械性能為σS=345 MPa，彈性模量為E=2.06×1011 Pa，泊松比為μ=0.3。筒體和端法蘭總重為32.5 t。實際吊運(yùn)過程中，根據(jù)是否存在沖擊等載荷作用，選取相應(yīng)載荷系數(shù)以與實際工況相符，本設(shè)計方案取動載荷系數(shù)取1.25；安全系數(shù)取1.5。吊具的螺栓孔徑為Φ39 mm，螺栓為M36。吊耳厚度為40 mm，吊耳背板厚20 mm，筒體直徑Φ4300 mm，筒體長6000 mm。

4 筒體吊裝工具有限元分析

4.1 筒體吊裝工具實體模型的建立

建模是有限元分析過程中非常關(guān)鍵的步驟，筒體吊裝工具是使用Pro/E軟件安裝其實際尺寸進(jìn)行建立的，并通過AnsysWorkbench的無縫接口導(dǎo)入到了AnsysWorkbench平臺當(dāng)中，對其中一些無關(guān)緊要的小結(jié)構(gòu)比如倒角、圓角等進(jìn)行了省略，目的是防止其影響網(wǎng)格劃分的速度和質(zhì)量。此模型為對稱結(jié)構(gòu)，為了提高計算速度避免不必要的計算機(jī)資源的浪費，減少單元節(jié)點數(shù)量，所以采取建立整個模型的一半，見圖1。

著名教育家陶行知先生提出：生活即教育，社會即學(xué)校，他還始終堅持教學(xué)合一的理念，也就是堅持在教學(xué)實踐中教、學(xué)、實踐（做）要真正結(jié)合起來，讓書本知識和現(xiàn)實生活有效結(jié)合起來。小學(xué)生作文生活化教學(xué)策略，需要教師充分利用多種手段，采用合理的生活化教學(xué)方式，與學(xué)生一起，在社會、學(xué)校、家庭生活的合力幫助下，為學(xué)生積累起豐富的寫作素材，刺激學(xué)生的寫作欲望，尊重學(xué)生的表達(dá)個性，理順學(xué)生的表達(dá)思路，在實際教學(xué)中達(dá)到提升學(xué)生整體寫作能力的目標(biāo)。

圖1 筒體和吊裝工具設(shè)置方式模型

4.2 筒體吊裝工具有限元模型的建立

按照設(shè)計圖紙尺寸將用Pro/E軟件建立的筒體吊裝工具的三維實體模型，通過Pro/E與ANSYS Workbench之間的無縫連接導(dǎo)入。采用Solid187單元，Solid187由10個節(jié)點定義，每個節(jié)點3個自由度：x,y,z方向。該元素具有空間的任何方向。具有塑性，超彈性，應(yīng)力強(qiáng)化，蠕變，大變形，大應(yīng)變能力。因此Solid187單元可以滿足此計算要求。對吊耳、背板、螺栓和焊縫等處局部網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化。最終網(wǎng)格模型節(jié)點數(shù)為40078，單元數(shù)為7481，見圖2。

圖2 筒體和吊裝工具有限元模型

4.3 接觸條件和邊界條件

(1)對模型施加了Symmetry Region對稱條件；

(2)螺栓下表面與吊耳背板上表面接觸類型采用No Separation；螺母上表面與筒體內(nèi)表面接觸類型采用No Separation；筒體與吊耳間接觸類型采用Frictional，摩擦系數(shù)取0.3。其余接觸類型按bonded處理。

(3)把合吊耳螺栓背板與筒體螺栓取8.8級，螺栓預(yù)緊力為337.5 kN。螺栓預(yù)緊力按兩步施加，第一步施加預(yù)緊力，第二步鎖緊。將筒體固定，在吊鉤位置施加遠(yuǎn)端力，方向沿吊裝時使用的鋼絲繩方向，遠(yuǎn)端力施加在第二步。具體施加方式見圖3。

4.4 分析結(jié)果

4.4.1 筒體吊裝工具的靜強(qiáng)度校核

由圖4可知筒體吊裝工具的應(yīng)力最大位置為吊耳背板螺栓孔邊緣處，吊孔最大應(yīng)力243 MPa，吊耳焊接板的最大應(yīng)力為220 MPa。

圖3 筒體和吊裝工具邊界條件示意圖

圖4 筒體和吊裝工具應(yīng)力云圖

圖5 筒體和吊裝工具吊裝孔軸向應(yīng)力分布圖

4.4.2 筒體吊裝工具的靜剛度校核

由圖5可知，吊耳的最大變形為2.85 mm，位于吊耳下側(cè)。

圖6 筒體和吊裝工具變形云圖

5 結(jié)論

(1)按平穩(wěn)吊裝考慮，吊耳背板的應(yīng)力值在120～150 MPa之前，此結(jié)構(gòu)吊耳強(qiáng)度滿足要求。但是在吊裝過程中應(yīng)保持筒體平穩(wěn)，如果出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象，此應(yīng)力值應(yīng)增加3～5倍。

(2)由圖4可知，吊耳下邊角出現(xiàn)應(yīng)力奇異的現(xiàn)象所受應(yīng)力值較大，建議采用側(cè)向吊耳，本算例的吊耳結(jié)構(gòu)適合正向吊裝。

(3)本計算實例只針對該規(guī)格筒體的吊耳進(jìn)行計算，不同的筒體規(guī)格需配與其對應(yīng)的吊耳。

(4)考慮到此吊耳結(jié)構(gòu)反復(fù)使用的可能建議螺栓與筒體和背板接觸部分增加墊板，對于改善孔位置的應(yīng)力集中現(xiàn)象效果更好。

(5)本算例核算的為外吊耳，考慮到內(nèi)吊耳與其焊接方式和受力情況相似，因此應(yīng)力值基本接近，不同的是外吊耳主要承受壓力，而內(nèi)吊耳主要承受拉力，因此內(nèi)吊耳在吊運(yùn)過程中的受力效果相對弱些。

(6)對非標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場加工制作的吊耳，除了進(jìn)

行必要的強(qiáng)度校核外，還應(yīng)考慮材料、加工方法、位置以及吊裝方案等諸多因素的影響，嚴(yán)禁超負(fù)荷使用。

[1] 段進(jìn).ANSYS機(jī)構(gòu)分析[M].北京：科海電子出版社.

[2] 程大先．機(jī)械設(shè)計手冊(第三版)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社.

[3] 劉鴻文.材料力學(xué)(第四版)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[4] HG/T 21574—2008，化工設(shè)備吊耳及工程技術(shù)要求[S].

Finite Element Analysis on Cylinder Lifting Tools Based on ANSYS Workbench

YU Guan-ying， YANG Chen

The paper makes modeling three-dimensional to the cylinder lifting tools of rod mill MBS4360 by Pro/E software, takes calculating and simulating by the finite element software ANSYS Workbench, gets deformation and strength distribution cloud picture, and gives some improvement advice about cylinder lifting tool.

cylinder lifting tool； finite element； ANSYS workbench； strength distribution

2014-11-19

于冠英(1985-)，女，遼寧沈陽人，工程師，工程碩士在讀，主要從事產(chǎn)品研發(fā)和有限元分析工作，現(xiàn)任中國有色(沈陽)冶金機(jī)械有限公司設(shè)計研究院研發(fā)員。

TP391

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1003-8884(2015)01-0007-04