基于ANSYS Workbench的预制舱最优起吊位置研究

王勇奎　殷帅兵　王哲　谢春洋

【摘 要】为得到预制舱的最优起吊位置，使底座弯曲刚度最大，根据预制舱设计基本原理，运用ANSYS Workbench仿真分析软件对预制舱进行吊装工况下的仿真分析，得到预制舱底座变形云图和最大值。通过对底座变形量进行对比得到结论：起吊点位置越靠近两端，底座中间变形量越大，端部变形量越小；起吊点位置越靠近中间，底座中间变形量越小，端部变形量越大。当起吊轴位置布置合适时，底座端部变形和中间部位变形接近，从而整体最大变形量较小，底座整体弯曲刚度达到最大；仿真分析结果与理论计算结果趋于一致，验证了仿真分析结果的正确性和科学性。

【关键词】预制舱；最优起吊位置；弯曲刚度；ANSYS Workbench；仿真分析

中图分类号： TM63 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）19-0032-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.19.013

Optimal Lifting Position Study of The Prefabricated Cabin Based on ANSYS Workbench

WANG Yong-kui YIN Shuai-bing WANG Zhe XIE Chun-yang

（XJ ELECTRIC CO.，LTD，Xuchang Henan，461000）

【Abstract】To obtain the optimal lifting position of prefabricated cabin and make the base bending stiffness maximum，based on the basic principle of prefabricated cabin design，using the simulation analysis software ANSYS Workbench，the prefabricated cabin is analyzed in hoisting working conditions，and maximum deformation and the deformation cloud chart of the prefabricated cabin are got.Through contrastive analyzing of deformation，draw the following conclusions.The closer the lifting location to both ends of the prefabricated cabin pedestal，the larger the deformation of the middle and the smaller of the ends.The closer the lifting location to the middle of the prefabricated cabin pedestal， the smaller the deformation of the middle and the larger of the both ends.When lifting position is optimal，deformation of the middle and the ends are approximate.In this case，the holistic deformation of the prefabricated cabin pedestal is smallest and the bending stiffness is largest.Besides，the simulation analysis results tend to be more consistent with the theoretical calculation results，which verifies the correctness and scientific of the simulation analysis results.

【Key words】Prefabricated Cabin；Optimal Lifting Position；Bending stiffness；ANSYS Workbench；Simulated analysis

0 前言

隨着中国基础工程建设的快速推进，智能化变电站建设量逐年增大，预制舱作为智能化变电站的基础设备，需求量也日益增多。为了方便并排摆放，通常集装箱形式的箱体的吊点一般设置在顶部的四个角处。而预制舱一般为单列单放，为了达到更好的刚度效果，一般将吊点设置在底座的适当位置。

徐乃祥等对各类预制构件在翻身、起吊、堆放时吊点和垫点的选择进行了研究，指出在设计文件指明吊点和垫点的情况下，应严格按照规定吊点起吊，并按规定垫点支垫构件，否则，很可能引起构件产生过大的变形、开裂和损坏[1]。祖晨郁等介绍了吊索的种类及吊索安全工作载荷的计算，分析物体起吊时的稳定性，一般常见物体的吊点位置的选取和起吊时的注意事项[2]。罗晓风等用ANSYS软件，选用三维大变形Beam188梁单元替代平面小变形Beam3梁单元，比较了Beam188梁单元的小变形及大变形计算方式，确定了优化的起吊方式[3]。李端山等从理论上对管道吊装的最佳吊点位置进行了计算[4]。关玉明等介绍了一种基于Workbench优化技术进行中心轴吊点位置选取的方法.对中心轴进行受力分析，定义优化变量，将整体变形、等效应变和最大应力作为目标函数，基于Workbench的不断迭代计算得出几种优化方案和目标函数曲线图，经比较选出合适的方案，并对选取的方案做了进一步的验证[5]。

但是，以上研究并没有针对预制舱吊点位置的研究，本文依据预制舱设计基本原理，基于ANSYS Workbench仿真设计软件[6]，结合河北连家庄预制舱进行最优吊点位置的探索研究，确定预制舱吊装过程中的最佳位置选择，并与理论计算结果作对比，从而验证仿真计算结果的准确性。

1 预制舱起吊方式介绍

根据不同变电站的个性化需求，预制舱有多种尺寸形式，一般常见的有长度尺寸为12200m、9000m、6000m等，宽度一般为2800mm，本文结合连家庄变电站用预制舱项目，以典型的12200预制舱为例来分析其吊点位置的选择。

预制舱起吊组件由起吊轴、起吊轴套、擋圈和起吊板组成，如图1所示。在预制舱起吊作业时，将起吊轴抽出来进行起吊，挡圈用来避免起吊轴完全抽出。预制舱在非吊装工况时起吊轴插进去以免在外面影响通道的通过性。在底座H型钢两侧各设置一个起吊板的用来增大起吊轴作业时的力臂，使其能够承受跟大的力。

通常情况下，预制舱采用双侧四点起吊，即在预制舱底座两根纵梁上各设置两个起吊点，如图2和图3所示。单侧两个吊点的位置采用对称放置，吊点到预制舱端部的距离的不同，预制舱底座整体的刚度也不一样。因此合理的设计和布置起吊轴可以提高底座整体的弯曲刚度。

2 仿真计算

基于Workbench软件，以河北连家庄预制舱为例对起吊点在不同位置时底座的变形量进行仿真分析计算，来研究吊点位置的选择对预制舱底座弯曲刚度的影响。预制舱长12200mm、宽2800mm。如图4所示，将预制舱各部分的载荷值换算成等效的应力，对经过处理之后的底座施加如图所示的载荷，其具体数值如表1所示。

3 仿真结果分析

由于变形云图中所显示数据是每个点相对于其原位置的变化量，而起吊轴位置是固定的，因此我们取底座纵梁H型钢中点和端部数据来进行研究。根据以上分析结果，将底座纵梁H型钢中点和端部变形量汇总于表2中。

根据表2可以看出，当起吊轴位置距离端部距离S为2350mm时，底座中间变形明显大于端部，最大变形量为5.1953mm，说明起吊点位置过于靠近两端了；当起吊轴位置距离端部距离S为2750mm时，最大变形量为4.9506mm，底座中间变形明显小于端部，说明起吊点位置过于靠近中间了；取S为2350mm和2750mm中间的三种情况进行分析，由表2可以看出，当S=2600时，端部变形量和中间变形量最接近，最大变形量为3.5707mm，为五中情况中的最小。此时S值和预制舱总长度的比值为2600/12200=0.213。如果把预制舱看成一根等强度的圆管，则理论上其最优起吊点的位置距离端部的距离与圆管总厂的比值为0.207[4]，本例中的0.213≈0.207，说明实际仿真结果和理论计算结果相符合。

比较表2中的五组数据可以看出，起吊点位置越靠近两端，底座中间变形量越大，端部变形量越小；起吊点位置越靠近中间，底座中间变形量越小，端部变形量越大。由于无论中间部位变形量过大或是端部变形量过大，都会引起底座整体有较大的变形。因此，宜选择合适的位置布置起吊轴，使得端部变形和中间变形接近，从而达到整体最大变形量最小，底座整体弯曲刚度最大。

在实际应用中，大部分预制舱都采用四点起吊。单位为了增加安全系数，应付不可预测的问题，一般在底座设置八个起吊点（每侧四个），从而在不可预测的情况发生时同时起吊八个点，使得底座弯曲刚度更大。

4 结论

本文根据预制舱设计基本原理，结合河北连家庄预制舱底座结构方案，运用Workbench仿真分析软件对预制舱四点吊装工况下吊点的位置选择进行对比分析，得到了起吊轴在五种不同位置的情况下预制舱底座各部分变形的特点和具体数值。通过对五种情况下变形量的对比分析，可以得到，起吊点位置越靠近两端，底座中间变形量越大，端部变形量越小；起吊点位置越靠近中间，底座中间变形量越小，端部变形量越大。当起吊轴位置布置合适时，底座端部变形和中间部位变形接近，从而整体最大变形量较小，底座整体弯曲刚度达到最大。通过将仿真结果与理论结果的对比，得到仿真分析结果和理论结果趋于一致，从理论计算上验证了结果的准确性和科学性。

【参考文献】

[1]徐乃祥.构件合理吊点和垫点的选择[J].建筑技术，1981.（3）：37-39.

[2]祖晨郁.起吊用具及起吊点的选择[J].煤炭技术，2009，28（05）：160-162.介绍吊索的种类及吊索安全工作载荷的计算，分析物体起吊时的稳定性，一般常见物体的吊点位置的选取，起吊时的注意事项。

[3]罗晓风，徐鑫，胡铭，余绍洋.基于大挠度变形下大跨度厂房主梁起吊点的优化计算[J].安徽建筑，2017，24（04）：148-149+175.

[4]李端山.关于管道吊装最佳吊点的选择[J].安装，2001.（1）：23.

[5]关玉明，于盼，李朝，等.基于Workbench的浓密机中心轴吊点位置的优化[J].《河北工业大学学报》，2017.46（5）：28-32.

[6]黄志新.ANSYS Workbench16.0超级学习手册[M].北京：人民邮电出版社，2016.