预制舱起吊梁的正交试验设计

牛勇强1 刘增强2 杨 宁1 王 伟2 吕劲松21 许继电气股份有限公司 许昌 461000 2 许继电源有限公司 许昌 461000摘 要：针对预制舱起吊梁设计中主梁结构形式、起吊板厚度和加强板厚度等因素组合问题，基于交试验方法设计了9 个最有代表性的试验方案，采用极差法和方差法对试验结果进行分析，优选出使起吊梁Mises 等效应力和结构变形达到最小因素水平的最优组合方案，进一步试验验证方案的可靠性与合理性，对类似产品的设计具有重要的指导意义。关键词：起吊梁；正交试验；极差法；方差法；设计；分析中图分类号：TH122：TM63 文献标识码：A 文章编号：1001 － 0785（2018）09-0078-03预制舱采用标准化设计、模块化建设的理念，在出厂前将二次设备安装在预制舱内，并完成二次设备接线和调试工作，缩短了变电站施工周期，降低了项目全寿命周期成本。在预制舱的转运过程中，预制舱起吊梁是一种非标简易吊具，可使被吊装物体在吊装过程中受力合理，避免产生过大的弯曲变形、损坏等。影响起吊梁结构强度的因素有主梁形式、起吊板厚度和加强板厚度等，通过实际吊装试验寻找最优的起吊梁因素组合方案较困难，试验成本较高，且不能明确各因素对起吊梁结构强度的影响大小。因此，本文针对影响起吊梁安全的各因素的最优组合问题，将正交试验设计方法和有限元仿真试验相结合，对起吊梁结构强度的重要影响因素进行极差分析、方差分析及显著性检验，验证正交试验设计方法在起吊梁设计中的泛用性。1 起吊梁的正交试验设计1.1 预制舱起吊梁预制舱起吊梁常用型钢梁、起吊板和加强板焊接而成，减小吊装钢丝绳之间的夹角大小，用于防止在吊装转运过程中舱体产生摆动和失去平衡，避免酿成安全事故。本文选用适用于国网标准Ⅲ型舱的起吊梁，其长度为3.2 m，材料为Q235，密度ρ ＝ 7 850 kg/m3，弹性模量E ＝ 206 GPa，泊松比μ ＝ 0.3，如图1 所示。图1 预制舱起吊梁Ⅲ型舱起吊梁的型钢主梁形式有工字钢、矩形管和H 型钢等，规格尺寸及截面参数如表1 所示。焊接在型钢主梁外侧的起吊板与U 形吊钩连接。为防止与钢丝绳连接的起吊板变形过大，在起吊板内侧焊接加强三角板。型钢梁是起吊梁重要受力构件，其结构性能直接影响起吊梁的安全性。标准Ⅲ型预制舱舱的质量不超过20 t，采用2 根起吊梁进行吊装。因此，单根起吊梁承受载荷按10 t 计算，吊装钢丝绳的长度为5 m，采用U 形吊钩连接，起吊梁下侧孔为固定约束。基于有限元分析方法建立起吊梁的有限元模型，有限元网格单元大小为10 mm。在有限元分析计算时，不考虑预制舱吊装过程中的动力响应作用。1.2 起吊梁的正交试验设计正交试验设计方法的优点是通过少数代表性很强的试验，摸清各个因素对试验结果的影响程度，快速找到因素的最优水平组合，降低试验和生产成本，进而实现经济效益的最大化。1）明确试验考核指标 为使起吊梁满足预制舱吊装要求，正交试验的第一考核指是Mises 等效应力最大值为最小，第二考核指标是结构变形最大值达到最小。2）确定试验因素及其水平 影响起吊梁等效应力和结构变形的主要因素有型钢主梁形式、起吊板厚和加强板厚，分别为因素A、B、C，根据起吊梁的预承载试验发现各因素间不存在交互作用。型钢主梁形式选用工字钢16 号、矩形管160 mm×80 mm×6 mm 和H 型钢HM150×100 等规格，起吊板厚度选取15 mm、20 mm和25 mm，加强板厚度选取5 mm、8 mm 和10 mm。预制舱起吊梁的正交试验因素水平表如表2 所示。3）选择正交表，确定试验方案 根据试验考察因素的水平数，基于正交设计选择具有该水平的一类正交表来安排试验，再依据因素个数确定均衡抽样的正交表。起吊梁的正交试验考察3 个因素，每个因素均有3 个水平，可选取标准正交表L 9（34）安排正交试验方案。2 正交试验结果分析正交试验结果的分析有极差分析法和方差分析法等2 种。极差分析法具有简单直观，计算方便等优点；方差分析法考核因素作用是否显著及显著性的大小，弥补了极差分析方法的缺陷。根据选取的起吊梁正交试验方案进行起吊梁的仿真承载试验，试验结果表3 所示。2.1 试验结果的极差分析极差分析法是根据因素极差大小确定最优水平组合，极差是与各因素不同水平相对应的试验考核指标平均值的最大值与最小值之差，用R 表示。R 越大，说明该因素的水平变化对试验指标的影响越大，在试验中越重要；反之，该因素越不重要。式中：为因素在第i 水平上试验结果的平均值。对于多目标正交试验结果的极差分析，常用的分析方法有综合平衡法和综合评分法。由于本文的考核指标有2 个，故宜选用综合平衡法。极差分析结果如表4 所示，因素A 对Mises 等效应力是较主要因素，因素A 取A3为优；对结构变形是主要因素，因素A 取A2 为优；按试验考核指标综合平衡后，因素A 取A3 最优。因素B对Mises 等效应力是主要因素，对结构变形是较主要因素，因素B 在两项考核指标中均以B3 最优。因素C 对Mises 等效应力是次要因素，对结构变形亦是次要因素，考虑成本时，因素C 取C2 最优。采用综合平衡法得到的因素最优因素组合水平为A3B3C2，为验证方案的合理性与最优性，对方案A2B3C2进行对比验证。采用方案A2B3C2 时，起吊梁的Mises等效应力最大值为219.25 MPa，结构变形的最大值为0.627 66 mm，故方案A2B3C2 不是最优组合方案。2.2 试验结果的方差分析方差分析法是将试验数据的总变差平方和分解成因素的变差平方和与随机误差平方和，用各因素的变差平方和与随机误差平方和相比，做F 检验，判断因素的影响作用是否显著。通常将F 值与显著性水平F 1-α 比较，将因素对试验指标影响的显著性水平划分为高度显著影响、显著影响、不十分显著影响和无显著影响等4 个级别。试验结果的方差分析如表5、表6 所示，各因素的偏差平方和表示各因素对试验指标影响的大小；各因素自由度等于因素的水平数减去1，误差自由度等于总自由度减去各因素的自由度之和。选取显著性水平α分别为0.01、0.05、0.1，查F 分布表可知F 1-0.01 ＝ 99、F 1-0.05 ＝ 19、F 1-0.1 ＝ 9。由表5 可知，主梁形式和起吊板厚度对Mises 等效应力的F 比值均大于F 1-0.01，影响均十分显著，其中起吊板厚度的影响最为显著；加强板厚度对Mises 等效应力的F 比值略大于F 1-0.05，影响作用显著。由表6 可知，主梁形式、起吊板厚度和加强板厚度对结构变形的F 比值均远远小于F 1-0.1，即各因素均无显著影响。3 结束语采用正交试验设计方法设计了9 种最具代表性的因素组合方案，利用Workbench 仿真平台进行仿真试验。采用极差分析法和方差分析法对正交试验结果进行分析。当主梁采用H 型钢、起吊板厚度为25 mm、加强板厚为8 mm 时，吊梁的Mises 等效应力最小，结构变形也较小。通过正交试验设计方法找出了因素的最优组合方案，方法可行、合理，具有较强的泛用性，在企业产品设计中的应用有着重要的指导意义。参考文献[1] 陈魁. 试验设计与分析 [M]. ( 第二版). 北京：清华大学出版社，2005.[2] 尤光辉，林正，陈向俊，等. 基于正交设计的电梯曳引钢丝绳磨损研究[J]. 起重运输机械，2016（8）：104-108.[3] 杜义贤，王伟，田启华. 结构拓扑优化参数的正交试验设计[J]. 机械设计与研究，2011，27(5)：14-17.[4] 张万涛，余宏明. 正交试验设计方法在库岸滑坡敏感性分析中的应用[J]. 安全与环境工程，2009，16(5)：13-16.[5] 韩志仁，孙伟. 基于正交试验钛合金激光切割工艺参数优化[J]. 机械设计与制造，2010(2)：211-213.举报/反馈发表评论发表作者最新文章高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 刚柔耦合动力学仿真01-2014:40液压挖掘机转台有限元分析与疲劳强度评估01-2014:33SPMT 液压平板车车板变形有限元计算与仿真模拟01-2014:31相关文章呈和科技过会：今年IPO过关第32家中信建投过3单引领财商教育规范发展，微淼商学院发起行业首个自律倡议一些二手交易平台为何成为色情交易引流平台年终岁尾，“戏说”教育上市公司的2020丨蓝鲸观察快手加码区域深耕，未来6个月将在四川扶持100个“百万大号”

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