基于AnsysWorkbench筒体吊装工具有限元分析

于冠英， 杨 晨

(中国有色(沈阳)冶金机械有限公司， 辽宁 沈阳 110141)

基于AnsysWorkbench筒体吊装工具有限元分析

于冠英， 杨 晨

(中国有色(沈阳)冶金机械有限公司， 辽宁 沈阳 110141)

通过Pro/E软件对MBS4360棒磨机筒体吊装工具进行三维建模。利用有限元软件AnsysWorkbench对吊装工具进行仿真计算，得出筒体吊装工具的变形与强度分布情况，并根据计算结果提出了筒体吊装工具改进的建议。

筒体吊装工具； 有限元； AnsysWorkbench； 强度分布

0 引言

吊装工具是起重机械中应用比较广泛的专用吊运、取物装置。吊装工具是设备吊装的支点，是设备安全、吊装过程安全的重要保证。吊装工具的尺寸、负荷、结构要求都有国家标准(吊装工具的设置和相关要求在化工领域等特种设备应用中的有相应的标准，而对于常用机械结构的吊装工具基本处于沿用化工标准或经验设置)。一般按起重量大小直接选用。但是在施工中，经常需要在现场自行加工制作专用的吊装小型构件，为了预防其在吊运作业过程中发生破坏必须进行刚强度计算。

磨机等回转类设备的筒体无论在加工、运输、现场安装等都离不开吊装工具，它是主要的吊点结构，因此要求有很好的承重能力，为了在吊耳上保证筒体的安全，用AnsysWorkbench对其进行仿真模拟，提供了给定设计方案的结构变形和应力分布云图，为对其进行失效分析提供理论依据。

1 有限元分析的结构和应用

有限元方法作为一种数值方法，在现在的技术科学发展和工程分析实际中得到了广泛的应用。尤其是在工程技术领域也受力高度重视，主要是因为它的高效和通用性。有限元法用来进行结构的力学分析或是用来求解一般场域问题时，主要有以下几个过程：

(1)问题的转化；

(2)建立有限元模型，确定描述边界条件和关联因素的元素类型及其形函数；

(3)形成矩阵解题方程并利用有限元方程组的求解；

(4)与实际问题比较、调整并优化，以达到最优解。

随着计算机辅助工程(CAE)技术在工业应用领域中的广度和深度的不断发展，它在提高产品设计质量、缩短周期、节约成本方面发挥了越来越重要的作用。目前，CAE分析的对象已由单一的零部件分析拓展到系统级的装配体，如飞机、汽车等整机的仿真。同时，其分析的领域已不再仅仅局限于结构力学，已涉及流体力学、热力学、电磁学、多场耦合等更加丰富的物理空间。而且，CAE分析不再仅仅是专职分析人员的工作，涉及人员参与CAE分析已经成为必然。

2 AnsysWorkbench简介和主要功能

AnsysWorkbench把ANSYS系列产品融合在仿真平台，使数据无缝实现传递和共享。AnsysWorkbench中提供了与ANSYS系统求解器的强大交互功能的方法，这个环境提供了一个独特的CAD及设计过程的集成系统。该软件的特点主要是在机械结构系统受到外力负载所出现的反应，例如应力、位移、温度等，根据该反应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态，进而判断是否符合设计要求。一般机械结构系统的几何结构相当复杂，受的负载也相当多，理论分析往往无法进行。想要解答，必须先简化结构，采用数值模拟方法分析。由于计算机行业的发展，相应的软件也应运而生，ANSYS软件在工程上应用相当广泛，在机械、电机、土木、电子及航空等领域的使用，都能达到某种程度的可信度，颇获各界好评。使用该软件，能够增加产品和工程的可靠性；在产品的设计阶段发现潜在的问题。并且可以基于可视化实现对试验方案的模拟和优化，因此能有效地减少开发经费，降低设计成本；缩短新产品的开发和研制周期。

在AnsysWorkbench环境能够建立仿真分析模型，将所有CAE(包括FEA/CFD/CEM等)软件作为求解器进行调用进而进行仿真分析，并对其结果优化设计。将所得CAD模型经过网格划分、施加边界条件与载荷工况，然后调用到CAE程序进行求解分析，还可以对CAE的计算结果进行参数化后优化计算。

AnsysWorkbench软件是能够融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用智能化有限元软件，广泛的用于机械制造、能源、汽车交通、国防军工、核工业、铁道、石油化工、航空航天、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业及科学研究等领域。

3 筒体吊装工具的基本参数

棒磨机筒体吊耳Q345B机械性能为σS=345 MPa，弹性模量为E=2.06×1011 Pa，泊松比为μ=0.3。筒体和端法兰总重为32.5 t。实际吊运过程中，根据是否存在冲击等载荷作用，选取相应载荷系数以与实际工况相符，本设计方案取动载荷系数取1.25；安全系数取1.5。吊具的螺栓孔径为Φ39 mm，螺栓为M36。吊耳厚度为40 mm，吊耳背板厚20 mm，筒体直径Φ4300 mm，筒体长6000 mm。

4 筒体吊装工具有限元分析

4.1 筒体吊装工具实体模型的建立

建模是有限元分析过程中非常关键的步骤，筒体吊装工具是使用Pro/E软件安装其实际尺寸进行建立的，并通过AnsysWorkbench的无缝接口导入到了AnsysWorkbench平台当中，对其中一些无关紧要的小结构比如倒角、圆角等进行了省略，目的是防止其影响网格划分的速度和质量。此模型为对称结构，为了提高计算速度避免不必要的计算机资源的浪费，减少单元节点数量，所以采取建立整个模型的一半，见图1。

著名教育家陶行知先生提出：生活即教育，社会即学校，他还始终坚持教学合一的理念，也就是坚持在教学实践中教、学、实践（做）要真正结合起来，让书本知识和现实生活有效结合起来。小学生作文生活化教学策略，需要教师充分利用多种手段，采用合理的生活化教学方式，与学生一起，在社会、学校、家庭生活的合力帮助下，为学生积累起丰富的写作素材，刺激学生的写作欲望，尊重学生的表达个性，理顺学生的表达思路，在实际教学中达到提升学生整体写作能力的目标。

图1 筒体和吊装工具设置方式模型

4.2 筒体吊装工具有限元模型的建立

按照设计图纸尺寸将用Pro/E软件建立的筒体吊装工具的三维实体模型，通过Pro/E与ANSYS Workbench之间的无缝连接导入。采用Solid187单元，Solid187由10个节点定义，每个节点3个自由度：x,y,z方向。该元素具有空间的任何方向。具有塑性，超弹性，应力强化，蠕变，大变形，大应变能力。因此Solid187单元可以满足此计算要求。对吊耳、背板、螺栓和焊缝等处局部网格进行了细化。最终网格模型节点数为40078，单元数为7481，见图2。

图2 筒体和吊装工具有限元模型

4.3 接触条件和边界条件

(1)对模型施加了Symmetry Region对称条件；

(2)螺栓下表面与吊耳背板上表面接触类型采用No Separation；螺母上表面与筒体内表面接触类型采用No Separation；筒体与吊耳间接触类型采用Frictional，摩擦系数取0.3。其余接触类型按bonded处理。

(3)把合吊耳螺栓背板与筒体螺栓取8.8级，螺栓预紧力为337.5 kN。螺栓预紧力按两步施加，第一步施加预紧力，第二步锁紧。将筒体固定，在吊钩位置施加远端力，方向沿吊装时使用的钢丝绳方向，远端力施加在第二步。具体施加方式见图3。

4.4 分析结果

4.4.1 筒体吊装工具的静强度校核

由图4可知筒体吊装工具的应力最大位置为吊耳背板螺栓孔边缘处，吊孔最大应力243 MPa，吊耳焊接板的最大应力为220 MPa。

图3 筒体和吊装工具边界条件示意图

图4 筒体和吊装工具应力云图

图5 筒体和吊装工具吊装孔轴向应力分布图

4.4.2 筒体吊装工具的静刚度校核

由图5可知，吊耳的最大变形为2.85 mm，位于吊耳下侧。

图6 筒体和吊装工具变形云图

5 结论

(1)按平稳吊装考虑，吊耳背板的应力值在120～150 MPa之前，此结构吊耳强度满足要求。但是在吊装过程中应保持筒体平稳，如果出现冲击现象，此应力值应增加3～5倍。

(2)由图4可知，吊耳下边角出现应力奇异的现象所受应力值较大，建议采用侧向吊耳，本算例的吊耳结构适合正向吊装。

(3)本计算实例只针对该规格筒体的吊耳进行计算，不同的筒体规格需配与其对应的吊耳。

(4)考虑到此吊耳结构反复使用的可能建议螺栓与筒体和背板接触部分增加垫板，对于改善孔位置的应力集中现象效果更好。

(5)本算例核算的为外吊耳，考虑到内吊耳与其焊接方式和受力情况相似，因此应力值基本接近，不同的是外吊耳主要承受压力，而内吊耳主要承受拉力，因此内吊耳在吊运过程中的受力效果相对弱些。

(6)对非标准的现场加工制作的吊耳，除了进

行必要的强度校核外，还应考虑材料、加工方法、位置以及吊装方案等诸多因素的影响，严禁超负荷使用。

[1] 段进.ANSYS机构分析[M].北京：科海电子出版社.

[2] 程大先．机械设计手册(第三版)[M].北京：化学工业出版社.

[3] 刘鸿文.材料力学(第四版)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[4] HG/T 21574—2008，化工设备吊耳及工程技术要求[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，辽宁沈阳人，工程师，工程硕士在读，主要从事产品研发和有限元分析工作，现任中国有色(沈阳)冶金机械有限公司设计研究院研发员。

TP391

B

1003-8884(2015)01-0007-04