陈 昆 邹浩阳 宋 婷 黄钟韬武汉理工大学 物流工程学院 武汉 430063摘 要：起重机械作为一种高风险性设备，其结构的安全性和可靠性具有重要意义。在其使用运行期间，易因各种原因造成其部件形成缺陷。针对更换设备受损部件周期较长的问题，提出采用补强技术来修复高风险性设备的受损部件。由于传统的理论计算公式并不能很好地进行具体受损部件的强度计算，故以有限元方法模拟不同修复模型后受损部件的应力分布情况。结果表明：不同修复模型下受损部件的应力分布情况差异较大，采用合理的修复模型可使结构满足强度要求。在理论分析的基础上进行试验研究，结果证明了修复模型的有效性。研究结果可为设备受损部件在服役寿命预估等方面提供基础信息。关键词：起重机械；受损设备；有限元；结构修复；设计中图分类号：TH21 文献标志码：A 文章编号：1001-0785（2018）06-0156-040 引言起重机械属于重型关键设备，在行业主要承担工艺生产过程空中物料的运输，一般情况下其工作环境恶劣、受载情况复杂。某起重机械因某种原因导致吊具受损，但由于吊具更换周期长，导致施工方工期延误，经济损失较大。对于这些高风险大型设备如何能够安全、高效地进行修复成了工程上一个重要的问题。目前，指导计算吊具耳板强度的专业性标准仍较少且应用面较窄。如美国材料与试验协会ASTM 发布的碳素钢吊耳标准规范，即ASTM A 489 － 2003《StandardSpecification for Carbon Steel Lifting Eyes》。而国内吸取了国外经验后，也提出了一些吊具耳板计算强度的标准，如行业标准- 机械(CN-JB) 发布的JB/ZQ4629 － 2006 与JB/ZQ 4628 － 2006。在实际工程应用中，其难度在于：1）吊耳尺寸形状各异，难于采用已有的强度计算公式进行分析。2）由于焊缝等因素影响，修复后的危险截面不止存在于理论公式所述位置。故采用有限元方法对吊耳在吊装过程中的危险截面进行分析，以受损吊具为对象，以求较合理方案进行修复。可对高风险性设备的设计、校核及修复提供思路与指导。1 理论分析在起重机结构的销轴连接中，耳环有相当大的刚度，耳孔与销轴间有一定的间隙，根据这一特点可假定孔壁上载荷按照正弦规律分布（见图1），据此可求出耳环危险截面，即图2 中A － A 截面和B － B 截面上的内力，并根据弹性曲梁公式，求得这两个截面上的最大应力值，其计算公式为式中：P 为耳孔上所受总的外力；A 为耳环截面积，A =δ h ，h 为耳环截图高度，δ 为耳环的厚度；R 为耳环截面重心处的曲率半径。在实际工程中由于结构的复杂和应力状态的复杂，吊具结构的应力场的解析解较难得到，三维有限元方法是目前采用较为普遍的研究方法之一，随着工程中复杂结构的广泛应用，利用有限元分析也是切实可靠的。图 1 吊耳应力分析图2 数值模拟2.1 设计参数以冶金起重机横梁吊具损伤耳板为研究对象，耳板材料为Q345 钢，屈服强度为345 MPa，弹性模量E ＝206 GPa，泊松比μ ＝ 0.2，具体尺寸见图2。图 2 耳板具体尺寸图2.2 数值模型 应用Ansys 软件，采用6 自由度，具有大变形能力的Shell 单元，建立整个吊耳的几何模型并进行网格划分，如图3 所示。分别建立部分切除、整体切除的4 种吊具模型，分析这4 种模型的应力缝补，并选择较优模型进行实际修复。图 3 吊耳整体有限元模型模型1：直接在原损伤区域周围割除长度为594mm，高度为70 mm，与原吊具等宽的部位。选取材质与母材相同等厚的板，与原耳板间通过对接焊接进行连接。模型2：在模型1 的基础上，为避免应力集中的情况，对原损伤的部位进行横向直线整体切除，高度为50 mm，宽度与原吊具等宽。选择一块材质与母材相同等厚的板，与原耳板间通过对接焊接进行连接。模型3：在模型1 的基础上，为避免应力集中的情况，对原损伤的部位进行横向直线整体切除，高度为60 mm，宽度与原吊具等宽。选择一块材质与母材相同等厚的板，与原耳板间通过对接焊接进行连接。模型4：在模型1 的基础上，为避免应力集中的情况，对原损伤的部位进行横向直线整体切除，高度为70 mm，宽度与原吊具等宽。选择一块材质与母材相同等厚的板，与原耳板间通过对接焊接进行连接。3 结果分析3.1 各种模型的危险截面应力值经过多次计算并将分析结果汇总，可得到如图4、图5 所示结果。图中横坐标z / t 为在截面A － A 与截面B － B 由内至外的比值，纵坐标为结构所受应力值，并得到以下结论：1）局部割除的损伤区域正好处在吊具应力集中处，产生的最大应力值已超过许用应力值，修复效果较差。2）相比于局部割除模型，整体割除能避免应力集中的情况，对受损吊具的修复效果更好，同时不同的割除高度对结构应力分布也有一定影响。图 4 4种模型 A -A截面应力值图 5 4种模型 B-B截面应力值3.2 采用较优模型由有限元模拟结果可以看出，吊耳经过整体切除与修复后，在3种不同工况下产生的最大应力为137.9MPa，且在焊缝处的最大应力为76.8MPa，远远小于Q345钢的许用应力，该模拟结果说明该模型的有效性与可靠性。具体数值如表1所示。有限元仿真结果如图6所示，由图可知修复后最大应力值为137.9MPa，大幅度改善了损坏吊耳应力集中的问题，同时焊缝处的最大应力为76.8MPa，应力值较小，满足许用应力要求。图 6 180 t动载下吊具应力云图4 强度试验为了验证模型4的有限元结果的正确性，修复后对吊具进行现场力学性能试验。由于需着重检测焊缝附近母材及焊接板承受载荷的能力，故根据仿真结果在耳板焊缝处与截面均布直角应变花，将直角应变花3个方向的应力测试值后合成其主应力值，并确认主应力作用方向。由应变仪测出的3个方向的应力值为σ 1、σ 2、σ 3，则直角应变花3个线应变分别为由式(3)可求得测点处的3个应变分量xε 、 和 ，即再由 确定主应变方向，然后由式(4) 确定主应变和切应变为则测点的主应力为，剪应力为根据第四强度理论，确定合成应力为根据式(5) 由试验应力值计算合成应力，对仿真结果做了比较，结果如图7、图8 所示。从图7、图8 中的数据可知，最大误差不超过5%，验证了有限元模型的正确性。图7 B-B 截面应力值对比图5 结论1）由于理论公式的普适性较低，实际工程中可以使用有限元方法对结构应力分布进行计算分析，并进行试验，验证了有限元模型是可靠的，可行的。2）根据5 种模型的应力分布情况可知，修复区域应当避免应力集中区域，可使修复后结构应力分布符合强度要求且更合理。图 8 焊缝处应力值对比图3）对于同类高风险性设备的受损修复，本文具有一定的借鉴和参考价值。同时，研究结果可为设备受损部件在服役寿命预估等方面提供基础信息。参考文献[1] ASTM A 489 － 2004 碳素钢吊耳标准规范 [S].[2] 王俊强，何仁洋 . 含缺陷管道复合材料修复后承压能力研究 [J]. 压力容器，2015，32(9)：59 -65.[3] 张海荣 . 海洋平台起重机吊臂受损修复技术 [J]. 起重运输机械，2015(8)：115-117.[4] 高福聚 . 板式吊耳局部应力有限元分析研究 [C]. 第十六届全国现代结构工程学术研讨会论文集，2016.[5]Duong C N.An engineering approach to geometrically nonlinear analyses of a one-sided composite repair under thermomechanical loading[J].Composite Structures，2004，64(1)：13-21.[6] 董达善 . 起重机械金属结构 [M]. 上海：上海交通大学出版社，2012.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相关文章液压挖掘机转台有限元分析与疲劳强度评估飞机牵引车车架的改进设计与有限元分析2020年湖北经济划出“V形”上行曲线 GDP恢复到上年同期95%
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