一種基于Solidworks的大尺寸異形模塊吊裝新技術(shù)
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
作者：鄭曉敏
在大型設(shè)備安裝中，為了減少吊裝作業(yè)的次數(shù)和高空作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)選擇在地面將一些構(gòu)件組裝成模塊，然后再進(jìn)行整體吊裝。組裝后的模塊往往尺寸大且形狀不規(guī)則，難以確定重心位置及設(shè)計(jì)合理的吊耳和索具來確保模塊的吊裝平穩(wěn)，也無法判斷模塊是否滿足吊裝強(qiáng)度。在傳統(tǒng)作業(yè)中很多是靠經(jīng)驗(yàn)或是近似地計(jì)算來分析吊裝方法是否可行，缺乏可靠的依據(jù)，因此在很多情況下不敢將構(gòu)件組裝成大的模塊，而是選擇多次來進(jìn)行吊裝，從而增加吊裝作業(yè)的次數(shù)和高空作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。
Solidworks是一款著名的全參數(shù)化三維實(shí)體造型軟件，使用Solidworks軟件可建立實(shí)體模型，計(jì)算出被吊模塊的質(zhì)量和重心位置；根據(jù)模塊尺寸和重心位置，可設(shè)計(jì)合適的吊耳和索具；通過軟件所提供的有限元分析插件simulation，可對構(gòu)件起吊時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)力變形、安全系數(shù)進(jìn)行分析；針對分析結(jié)果，可對吊裝方案進(jìn)行優(yōu)化，保證吊裝方法的安全可靠、經(jīng)濟(jì)可行；軟件可自動(dòng)生成應(yīng)力分析報(bào)告，為吊裝方案提供科學(xué)的依據(jù)。本文中使用的Solidworks為2014版。
1 大尺寸異形模塊介紹
在某鐵礦項(xiàng)目中，有4臺(tái)直徑45m鋼池體濃密機(jī)，為減少安裝現(xiàn)場的組對和焊接工作，在廠內(nèi)將池體部分分為6個(gè)模塊進(jìn)行預(yù)組裝，模塊采用吊裝就位。組裝后的濃密機(jī)池體模塊尺寸為：25. 8m×20. 8m×12m，質(zhì)量約為80t，形狀比較特殊，如圖1所示。
2 吊裝設(shè)計(jì)
2.1重心計(jì)算
2.1.1 建立模型
使用Solidworks建立模型時(shí)，對于要進(jìn)行受力分析的模型可采用“零件”的形式進(jìn)行整體建模，因?yàn)槿绻Ｐ筒捎玫氖?#8220;裝配體”形式，模塊尺寸大、零部件多，在進(jìn)行受力分析時(shí)，需定義的“連接”數(shù)量會(huì)很多，而這些“連接”在吊裝受力分析中是可以不考慮的；模塊中的主梁、立柱、橫梁、池壁構(gòu)成一個(gè)整體框架，屬于主要受力構(gòu)件，池底弧板、溢流槽、頂部加強(qiáng)圈、池壁立柱、池壁加固件等構(gòu)件，則不是吊裝中需考慮的受力構(gòu)件，且在大型構(gòu)件中不利于網(wǎng)格劃分，所以在建立分析模型時(shí)可省略，采用其他方式來添加質(zhì)量荷載；對于模塊中的一些細(xì)節(jié)如：圓弧、倒角、焊縫、孔等也可進(jìn)行簡化處理；對分析模型做以上處理，可為后面受力分析時(shí)的網(wǎng)格劃分和運(yùn)算提高速度。吊裝分析時(shí)的模型如圖2所示。
對于需進(jìn)行質(zhì)量和重心計(jì)算的模型，則可采用“裝配體”形式，將分析模型與其他構(gòu)件如弧板、池壁立柱、溢流槽、頂部加強(qiáng)圈、池壁加固件等進(jìn)行裝配，達(dá)到圖1所示的真實(shí)模型。
2.1.2定義模型材質(zhì)
在建立模型時(shí)，根據(jù)圖紙中給定的材質(zhì)對模型進(jìn)行材質(zhì)定義，對于材料庫中沒有的材質(zhì)，可自行定義材質(zhì)，根據(jù)實(shí)際材料的物理性能來修改材質(zhì)的彈性模量、密度、張力強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度4個(gè)參數(shù)。本實(shí)例采用的是常用的普通碳鋼材質(zhì)。
2.1.3 計(jì)算模塊質(zhì)量與重心位置確定
在Solidworks的評估標(biāo)簽下，點(diǎn)擊質(zhì)量屬性按鈕，即可得到我們需要的模塊質(zhì)量(79. 2t)和模塊重心（x=3. 63m，y=-1.58m，z=-0.02m）。模塊重心位置是以模型默認(rèn)坐標(biāo)系顯示的，在退出質(zhì)量屬性后重心位置不再顯示，因此為了便于吊耳位置設(shè)計(jì)、索具設(shè)計(jì)，需以重心位置建立新坐標(biāo)系�？稍谀K裝配體模型中進(jìn)行3D草圖繪制，繪制一個(gè)點(diǎn)，將點(diǎn)的x，y，z參數(shù)設(shè)置成與重心位置一致，然后再以此點(diǎn)建立新坐標(biāo)系，重心位置即可在三維視圖中一直顯示。
2.2吊耳、索具設(shè)計(jì)
2. 2.1 吊耳設(shè)計(jì)
在吊耳設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮的重點(diǎn)為：吊耳數(shù)量、吊耳位置。模塊尺寸大、質(zhì)量大，需設(shè)計(jì)合適的吊耳數(shù)量和吊耳位置，保證吊裝的平穩(wěn)。初選方案為常用的4吊耳吊裝，吊耳位置根據(jù)模塊重心和模塊主梁上的加固位置來確定，如圖3所示。吊耳的規(guī)格和樣式通過吊耳設(shè)計(jì)手冊獲得，選起重量為30t的鋼板式吊耳。
2.2.2 索具設(shè)計(jì)
在索具設(shè)計(jì)時(shí)，吊裝卡扣、鋼絲繩的型號和規(guī)格根據(jù)模塊質(zhì)量查相關(guān)手冊即可獲得。重點(diǎn)和難點(diǎn)是設(shè)計(jì)鋼絲繩的長度，使其滿足起吊時(shí)起重機(jī)勾頭與模塊重心在同一垂直線上，起重機(jī)勾頭距模塊底部的距離及鋼絲繩的吊裝角度符合吊裝要求。
在Solidworks中設(shè)計(jì)鋼絲繩長度時(shí)，先建立一根通過模塊重心的垂直線，然后在此垂直線上預(yù)設(shè)一個(gè)滿足吊裝高度要求的起重機(jī)勾頭位置，再以此位置建立4根空間直線，分別連接4個(gè)吊耳（根據(jù)吊耳數(shù)量來定），如圖4所示。采用測量工具，測量4條空間直線與垂直線的夾角，如角度滿足吊裝要求，則測量4根空間直線的長度，得到索具的長度，索具長度減去所選吊裝卡扣的尺寸，即得到所需鋼絲繩的長度。
2.3模塊受力分析
2.3.1 Solidworks分析軟件
Solidworks有2個(gè)工具可用來進(jìn)行應(yīng)力分析： simulationXpress和simulation，其中simulationXpress只是一個(gè)初步應(yīng)力分析工具，能對簡單荷載和支撐的零部件進(jìn)行靜態(tài)分析；simulation則能對零件、裝配體、曲面實(shí)體進(jìn)行靜態(tài)分析。2個(gè)應(yīng)力分析工具的界面是一致的，對于大尺寸異形模塊采用 simulation，該工具需在Solidworks的插件內(nèi)進(jìn)行啟用后才能使用。
2.3.2 運(yùn)行算例
在simulation界面，運(yùn)行新算例，對算例進(jìn)行命名，然后開始指派材料、定義連接、應(yīng)用夾具、應(yīng)用荷載、網(wǎng)格劃分、運(yùn)行解算器，然后開始應(yīng)力分析。
在建立分析模型時(shí)，已對模型添加了材料，在此不需再添加材料。如果需要，也可重新指派材料。
考慮模型尺寸大及吊裝分析的重點(diǎn)為框架的強(qiáng)度，采用合并后的單個(gè)零件建立分析模型，因此分析模型中不需要定義連接。
應(yīng)用夾具時(shí)，吊耳位置定義為固定鉸鏈，夾具的作用面選擇與卡扣接觸的圓弧面。因吊裝時(shí)，各吊耳孔的接觸面各不相同，所以在吊耳建模時(shí)，需根據(jù)吊裝索具方向?qū)Φ醵妆砻嬗梅中途�將接觸面劃分出來。本次吊裝吊耳處夾具應(yīng)用如圖5所示。
吊裝時(shí)的應(yīng)力分析是分析自重下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此對于完整的模型，采用引力來添加荷載進(jìn)行計(jì)算即可。因?yàn)楸痉治瞿Ｐ筒⑽窗袠?gòu)件，所以除了通過引力添加分析模型本身質(zhì)量荷載“引力‘ 1”外，還需添加其他構(gòu)件帶來的質(zhì)量荷載。頂部加強(qiáng)圈、溢流槽、池壁立柱、池壁加固件都焊接在池壁上，因此可在分析模型上添加一個(gè)作用于池壁上表面的荷載“力一1”，其大小等于頂部加強(qiáng)圈、溢流槽、池壁立柱、池壁加固件的質(zhì)量總和�；“搴附釉谥髁荷�，因此可在分析模型上添加一個(gè)作用在橫梁上表面的荷載“力．2”，其大小為弧板的質(zhì)量，沿主梁非均勻分布。模型應(yīng)力分析時(shí)的外部荷載如圖6所示。
網(wǎng)格劃分時(shí)，網(wǎng)格密度用來調(diào)整全局單元大小和公差，網(wǎng)格越細(xì)，結(jié)果越真實(shí)，但也需根據(jù)計(jì)算機(jī)性能來選擇網(wǎng)格因子。網(wǎng)格參數(shù)中，標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格器僅支持多線程體積網(wǎng)格化，本模型需選用基于曲率的網(wǎng)格，其他參數(shù)可選默認(rèn)設(shè)置。對于吊耳等重要位置，可應(yīng)用網(wǎng)格控制來細(xì)化該處的網(wǎng)格密度。劃分好網(wǎng)格后的模型如圖7所示。
網(wǎng)格劃分好后，運(yùn)行解算器開始對模型進(jìn)行靜力分析。
2.3.3 運(yùn)算結(jié)果分析
根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果，查看安全系數(shù)和變形情況，可知最小安全系數(shù)為o．44(要求安全系數(shù)≥1. 5)，最大應(yīng)力變形為23. 82mm（要求變形≤0. 5%。，即≤10mm），不滿足吊裝要求。
2.4吊裝設(shè)計(jì)優(yōu)化
2.4.1 吊裝設(shè)計(jì)優(yōu)化
根據(jù)模型的應(yīng)力分析結(jié)果，尋找模型不滿足吊裝要求的原因，然后確定優(yōu)化的方法，再重新進(jìn)行應(yīng)力分析，如此循環(huán)操作，直至模型滿足吊裝要求且經(jīng)濟(jì)可行。
對于本模型，可采取對薄弱部位進(jìn)行加固或增設(shè)吊裝點(diǎn)來優(yōu)化吊裝方案。如采用加固薄弱部位，則需增設(shè)加固材料，然后再進(jìn)行應(yīng)力分析，直至安全系數(shù)和應(yīng)力變形滿足吊裝要求，因其經(jīng)濟(jì)性相對較差，在此不作敘述。通過觀察模型4吊耳起吊時(shí)的應(yīng)力分布特點(diǎn)，可嘗試將模型設(shè)計(jì)為6點(diǎn)起吊，吊耳位置如圖8所示，索具長度設(shè)計(jì)與4吊耳起吊時(shí)相同。
2.4.2 優(yōu)化后運(yùn)算結(jié)果分析
模型的夾具、荷載、網(wǎng)格劃分與4吊耳起吊時(shí)相同。運(yùn)行解算器，可知最小安全系數(shù)為1. 54（要求安全系數(shù)≥1.5），最大應(yīng)力變形為8. 46mm（要求變形≤0. 5%0，即≤10mm），可知采用6吊耳起吊時(shí)滿足吊裝要求。
2.4.3 生成報(bào)告
在吊裝方案中需要有完整的吊裝計(jì)算過程，使用Solidworks進(jìn)行吊裝設(shè)計(jì)，除可以給出鋼絲繩的長度計(jì)算依據(jù)，還能對模塊及吊耳進(jìn)行吊裝時(shí)的應(yīng)力分析并自動(dòng)生成應(yīng)力分析報(bào)告，為吊裝方案提供可靠的支撐材料。
3 結(jié)語
使用Solidworks對大尺寸異形模塊進(jìn)行吊裝設(shè)計(jì)，通過建立三維模型，可準(zhǔn)確獲知被吊模塊的質(zhì)量和重心，由此設(shè)計(jì)合理的吊耳型號、規(guī)格、數(shù)量及放置位置；通過三維模型的空間定位，可設(shè)計(jì)精確長度的索具；通過軟件自帶的插件simulation，可對模型進(jìn)行吊裝應(yīng)力分析，根據(jù)分析結(jié)果判斷所選方案是否可行，并可對方案進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)；simulation可自動(dòng)生成分析報(bào)告，為吊裝方案提供科學(xué)可靠的依據(jù)。綜上所述，Solidworks可解決大尺寸異形模塊吊裝設(shè)計(jì)中遇到的一系列難題，非常適用于大尺寸異形模塊的吊裝設(shè)計(jì)。
4[摘要]大尺寸異形模塊吊裝時(shí)的難點(diǎn)有：如何確定模塊重心，設(shè)計(jì)合理的吊耳和索具來確保模塊吊裝平穩(wěn)，判斷模塊是否滿足吊裝強(qiáng)度。通過Solidworks軟件，可建立模型來計(jì)算出模塊的重心；根據(jù)模塊尺寸和重心位置，設(shè)計(jì)合適的吊耳和索具；使用軟件所提供的有限元分析插件，判斷模型是否滿足吊裝強(qiáng)度并自動(dòng)生成應(yīng)力分析報(bào)告，為吊裝方案提供科學(xué)依據(jù)。因此，Solidworks非常適用于大尺寸異形模塊的吊裝設(shè)計(jì)。
