基于AnsysWorkbench筒体吊装工具有限元分析

基于AnsysWorkbench筒体吊装工具有限元分析

张年

（江苏力之创特种装备制造有限公司；江苏泰州；225300）

摘要：采用AnsysWorkbench软件对筒体吊装工具进行有限元分析，通过建模仿真的方式了解筒体吊装工具的强度及变形情况，依托计算结果提出筒体吊装工具优化设计的方案。

关键词：筒体吊装工具；AnsysWorkbench；有限元分析

随着现代科技的不断发展，工业制造和建筑施工等领域对于设备和材料的提出了更高的要求。在筒体、压力容器等重型设备的制造和运输过程中，吊装工具是一种必不可少的装备。利用吊装工具可以将筒体等重量物品从一个位置转移到另一个位置，并保证吊装过程的安全和稳定。因此，对于吊装工具的设计和分析是非常重要的。AnsysWorkbench作为一款常见的有限元分析软件，在应用于筒体吊装工具的分析中有着广泛的应用价值。本研究对基于Ansys Workbench筒体吊装工具有限元分析的相关问题进行深入研究，为方案设计及失效分析提供理论支持。

1 AnsysWorkbench的主要功能及应用流程

1.1 AnsysWorkbench的主要功能

Ansys Workbench是一款广泛应用于工业制造、建筑施工、航空航天等领域的有限元分析软件，其主要功能包括：（1）CAD建模。Ansys Workbench具有强大的CAD建模功能，可以创建2D和3D的几何对象和组件，并快速导入各种文件格式的CAD数据文件。（2）丰富的材料库。针对各种不同的实际应用场合，AnsysWorkbench内置了广泛的材料数据库，包括金属、塑料、陶瓷、涂层、复合材料等多种材料，用户还可以在其基础上拓展和编辑自己的材料数据。（3）划分单元.通过AnsysWorkbench中的划分单元工具可以给几何模型划分单元，包括四面体、六面体、棱柱体等单元类型，满足复杂结构的有限元分析需求。（4）自由设定边界条件。使用者可以在AnsysWorkbench中设定各种边界条件（BC），如固定、载荷或约束边界等，从而得到完整的有限元边界值问题。（5）仿真分析及后处理。这是该软件的基础功能之一，可对物体进行静态和动态分析，具有多学科仿真分析能力，包括结构分析、流体动力学分析、热分析等。同时，该软件也可以显示变形、应力、应变、位移、动态模拟等各种结果，并且支持二维和三维可视化分析。

1.2 AnsysWorkbench在筒体吊装工具有限元分析中的应用流程

AnsysWorkbench在筒体吊装工具有限元分析中的应用与常规有限元分析软件的应用流程类似，此处仅做简单描述：首先是通过AnsysWorkbench中的CAD功能进行几何建模，绘制筒体吊装工具和其他支撑物件的三维几何结构。随后，根据几何建模的结果，通过AnsysWorkbench中的划分单元工具划分筒体吊装工具的有限元单元，以靠近复杂结构的实际行为。在此基础上，在AnsysWorkbench中设置筒体吊装工具所使用的材料参数，包括弹性模量、泊松比、屈服极限等重要参数。参数设计后定义边界条件，确定筒体吊装工具的边界约束和载荷条件。若筒体吊装工具被固定在一定位置，则可在此设定边界约束。参数设置完成可可得到参数结果，并对结果进行分析，进行优化设计，如主支撑架安装减震减振器、优化吊装架结构等，以提高吊装工具的安全性和稳定性。对结果分析过后可依托该软件提供的吊装工具的各项性能参数，通过结果后处理工具，对轴力、剪力、弯矩和应力等参数进行可视化分析。并将结果导出、打印或者进行更加详细的统计分析，以此提升设计的科学性。

2筒体吊装工具有限元分析

2.1筒体吊装工具的基本参数

本研究选择Q345B棒磨机筒体吊耳作为研究对象，该材料机械性能为；弹性模量是；泊松比是；筒体及端法兰总重量是。吊装时需考虑冲击荷载的问题，择取和工况相符的荷载系数，以保证吊装的顺利完成。本设计方案选择动荷载系数1.25、安全系数1.5。吊装工具螺栓直径为0.039m，螺栓型号为M36。筒体吊耳厚度、吊耳背板厚度、筒体直径、筒体长度分别为0.04m、0.02m、4.3m、6m。

2.2实体模型的建立

有限性模型建立是有限元分析的基础环节，筒体吊装工具利用软件安装，模型需建立在工具的实际尺寸上。本研究使用AnsysWorkbench的无缝接口导入功能将数据导入到平台中，省略了倒角、圆角等影响细微的结构，避免建模过程中影响网格划分的数据。本模型为对称结构，为了最大限度提升计算速度，节省计算资源，在建模中适当减少单元节点数量，建立了工具半个模型，详见图1。

图1 有限元模型

2.3有效性模型的建立

结合图纸设计尺寸，利用建立三维实体模型，并将其导入AnsysWorkbench平台。使用单元，该单元由十个节点定义，各个节点包含三个方面的自由度。各个节点元素具有空间上的所有反方向。有限元模型具有较强塑性及弹性，以及大变形及大应变能力。

单元可充分满足计算需求。在建模过程中，对筒体吊耳厚度、吊耳背板厚度、螺栓等位置的网格进行细化处理，处理后共得到个节点，单元数量为

2.4接触条件及边界条件

对有限元模型添加对称条件。螺栓下表面和筒体吊耳背板上方表面接触类型为，与螺母上表面和筒体内表面接触类型相同。筒体和筒体吊耳相连位置使用，将摩擦系数设计为0.3。剩余接触面采用处理方式。除此之外，筒体螺栓和筒体吊耳螺栓背板取值8.8级，筒体螺栓与吊耳螺栓预紧力是。在分析过程中，预紧力分为预紧力施加与锁紧两部分。把筒体固定好后，在吊钩处给一个远端力，远端力的方向与吊装过程中的钢丝绳方向相同

3有限元分析结果

3.1筒体吊装工具静强度检验

筒体吊装工具极限应力位置是吊耳背板螺栓孔洞的边缘位置，吊孔位置的极限应力为，吊耳焊接班极限应力是。

3.2筒体吊装工具的静刚度检验

筒体吊装工具吊耳极限变形为2.85mm，处于吊耳下方位置。

4 筒体吊装工具改进措施

根据有限元分析结果，筒体吊装工具需做出如下改进：

（1）筒体吊装工具的设计应当考虑到受力方向，以提高吊装效率和安全性。例如，在受力方向进行加强支撑，使其能够承受更大的压力和重量，同时优化结构形状和减小筒体的整体重量。在结构优化设计中，按平稳吊装考虑，吊耳背板应力数值控制在120~150MPa之间，以此满足吊耳强度要求。考虑到筒体吊装过程中需保证筒体平稳的问题，若吊装阶段出现冲击现象，需将应力值扩大3到5倍。

（2）筒体吊装工具吊耳下方边角应力奇异现象导致其遭受的应力较大，所以采用侧向吊耳，本研究设计的吊耳结构建议采用正向吊装方式。另一方面，吊耳和背板是筒体吊装工具中重要的结构部分，应该在设计上注重其强度和耐久性。可以考虑优化吊耳和背板材料、厚度和形状等因素，以减小应力值、提高吊装效率。此外，本研究仅针对文中设计规格筒体的吊耳，不同筒体规格需找寻对应的吊耳，保证筒体吊装工具选择的科学性。

（3）采用减震技术。当吊装工具承受外力时，摆动或冲击可能会导致吊装工具变形或折断，造成严重的安全隐患。为了避免这种情况，可以采用减震技术，如减震器、悬挂系统等，来缓冲吊装过程中的冲击和震动。

（4）固定边界条件。在有限元分析中，固定边界条件对于筒体吊装工具的分析和优化至关重要。因此，应采用适当的边界条件，例如用约束边界将吊装工具固定在一定位置，以保证有限元分析的准确性和可靠性，让结果更加真实。

（5）增加垫板。考虑到吊耳结构反复使用，建议在螺栓和筒体/背板接触部位增加垫板，以防止绝对应力集中。垫板也可以在吊耳杆的底部和边缘固定，以承受吊耳承受的重力和弯曲力。

（6）内外吊耳的差异。内外吊耳不仅在受力与结构上有所不同，而且暴露于不同的环境中，因此需要考虑到使用的应用场合，以根据不同的情况提供相应的吊装工具，以满足不同的要求。

（7）非标准吊耳的监控和校核。非标准吊耳的强度校核和监控非常重要，这要求我们除了校验其强度之外，需要考虑材料、加工方法、制造位置和吊装方案等因素的影响，以确保吊装工具的安全和稳定。在吊装过程中，吊装工具应该及时进行检查和维护，以保证工具处于最佳状态。

结束语：

本研究围绕AnsysWorkbench在筒体吊装工具有限元分析中的应用展开，对于吊装工具的设计和分析提供了一些有益的信息和思路。在工业制造和建筑施工等领域，吊装工具是一种必不可少的装备，设计和仿真分析是保证吊装工具安全和稳定的关键。AnsysWorkbench作为一款功能强大的有限元分析软件，提供了广泛的工程仿真分析功能，可以满足各种不同的应用场合的需求。通过本次研究，了解了AnsysWorkbench在筒体吊装工具分析中的应用流程和相关改进措施，确保筒体吊装工具的合理使用，为工程设计和分析提供有益的参考和帮助。

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