馬 松
(中鹽工程技術(shù)研究院有限公司,天津 300450)
各領(lǐng)域工程項(xiàng)目設(shè)備都朝著重型化、大型化的趨勢不斷發(fā)展,與此同時(shí)吊裝規(guī)模也逐漸變大,直接提升了對吊裝技術(shù)與吊裝設(shè)備的要求[1]。作為吊裝設(shè)備的主要連接部件,吊耳與整體吊裝技術(shù)的吊裝安全直接相關(guān),隨著特殊性吊裝與吊裝設(shè)備大型化的普及,標(biāo)準(zhǔn)化傳統(tǒng)吊耳已經(jīng)無法滿足現(xiàn)今的吊裝需求,大型設(shè)備吊裝中越來越頻繁的使用軸式吊耳,而軸式吊耳的局部應(yīng)力檢測問題也已經(jīng)成為當(dāng)前整體吊裝中的一個(gè)重要問題[2]。
相關(guān)專家和學(xué)者對軸式吊耳的局部應(yīng)力檢測方法進(jìn)行研究,并取得了一些成果。文獻(xiàn)[3]提出一種塔器軸式吊耳強(qiáng)度計(jì)算及有限元應(yīng)力分析方法。應(yīng)用SW6-2011計(jì)算軟件對軸式吊耳的局部應(yīng)力進(jìn)行核算,引入有限元分析軟件對軸式吊耳的受力情況進(jìn)行整體檢測。檢測效率較高,但檢測準(zhǔn)確度較低。文獻(xiàn)[4]提出一種大型薄壁設(shè)備軸式吊耳局部應(yīng)力設(shè)計(jì)計(jì)算方法。充分考慮了吊耳處的加厚段,結(jié)合WRC 107計(jì)算和有限元分析兩種方法,對軸式吊耳的局部應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。相較于文獻(xiàn)[3]方法,檢測準(zhǔn)確度有所提高,但仍然不理想。
為此提出一種軸式吊耳的局部應(yīng)力檢測方法。以獲取的軸式吊耳的局部應(yīng)力值為基礎(chǔ),構(gòu)建有限元檢測模型,完成軸式吊耳局部應(yīng)力的檢測。經(jīng)過驗(yàn)證得出,該方法的檢測準(zhǔn)確度大幅度提高,滿足軸式吊耳承載能力要求,能夠確保吊裝安全。
軸式吊耳的整體受力包括吊耳管軸水平軸向的分力與彎矩,因此需要對軸式吊耳的局部應(yīng)力進(jìn)行簡化,然后進(jìn)行計(jì)算[3]。在簡化時(shí),要注意軸式吊耳在270°方向與90°方向均不受彎矩作用影響,因此,簡化局部應(yīng)力時(shí)只需要考慮180°方向與0°方向的情況即可[4]。簡化時(shí)的力矩單位是kN·mm、力的單位是kN、長度單位是mm。在簡化過程中,按照慣性矩對軸式吊耳的內(nèi)筋板進(jìn)行等效,其中,內(nèi)筋板等效壁厚的計(jì)算公式如下:
(1)
式中:S′——內(nèi)筋板的等效壁厚;d——管軸直徑;IB-B——B-B面的慣性矩。
求導(dǎo)吊裝系數(shù)的計(jì)算公式如下:
(2)
式中:D——管軸長度;S0——墊板與擋板的距離;λ——吊裝系數(shù)。在簡化時(shí)通常不考慮補(bǔ)強(qiáng)板的影響。
完成局部應(yīng)力的簡化后對局部應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算,首先,查詢局部應(yīng)力的計(jì)算系數(shù):以S0/S′、λ、d/S′的值為依據(jù),對相應(yīng)的索引表進(jìn)行查詢,當(dāng)查詢不出對應(yīng)的數(shù)值時(shí),需要通過插值計(jì)算得出相應(yīng)數(shù)值。相應(yīng)的索引表如表1。
表1 相應(yīng)的索引表Tab.1 The corresponding index table
續(xù)表1 (Continue)
通過查詢相應(yīng)的索引表可以分別得到對應(yīng)的局部應(yīng)力計(jì)算系數(shù)。接著對表面應(yīng)力與應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算:在吊裝設(shè)備都處于就位狀態(tài)時(shí),對180 °方向與0 °方向軸式吊耳塔壁的外表面應(yīng)力與內(nèi)表面應(yīng)力分別進(jìn)行計(jì)算,得到相應(yīng)的應(yīng)力值;并對180 °方向與0 °方向軸式吊耳塔壁的局部應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算,得到應(yīng)力強(qiáng)度最大值[5]。將三倍屈服極限與應(yīng)力強(qiáng)度最大值進(jìn)行比較,保證應(yīng)力強(qiáng)度最大值處于三倍屈服極限之內(nèi),防止出現(xiàn)局部失穩(wěn)現(xiàn)象[6]。
在完成局部應(yīng)力值的計(jì)算后,利用局部應(yīng)力值的計(jì)算結(jié)果描述軸式吊耳的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性,建立軸式吊耳局部應(yīng)力有限元檢測模型。首先,對軸式吊耳的特征參數(shù)進(jìn)行提取[7],其中,軸式吊耳的特征參數(shù)結(jié)構(gòu)如圖1。
圖1 軸式吊耳特征參數(shù)結(jié)構(gòu)Fig.1 Characteristic parameter structure chart of shaft lifting lug
由于軸式吊耳模型通常由不同厚度的筒狀結(jié)構(gòu)與板類結(jié)構(gòu)構(gòu)成,因此,在建立有限元檢測模型時(shí),需要利用去除材料的方法[8]。也就是先要建立有限元檢測模型的整體輪廓,接著逐步切割各部分并將多余部分刪除,直到獲取預(yù)期模型為止,在建立整體輪廓時(shí)需要細(xì)致地把握小尺寸,并根據(jù)板類結(jié)構(gòu)的厚度與平板特征尺寸之比進(jìn)行單元的選取,如表2。
表2 單元選取Tab.2 Unit selection
為了符合薄膜單元、殼單元、實(shí)體單元的建模要求,并考慮軸式吊耳的特殊結(jié)構(gòu),采用Shell 62單元對有限元檢測模型進(jìn)行建立。在檢測模型的參數(shù)化過程中,結(jié)合solid 44實(shí)體單元進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì),得到軸式吊耳的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù),結(jié)合幾何造型建模法[9],完成軸式吊耳局部應(yīng)力有限元檢測模型的構(gòu)建。
根據(jù)上述構(gòu)建的有限元檢測模型對軸式吊耳的局部應(yīng)力進(jìn)行檢測。軸式吊耳局部應(yīng)力檢測包括內(nèi)部應(yīng)力檢測與表面應(yīng)力檢測,利用有限元檢測模型進(jìn)行檢測不需要接觸軸式吊耳的工件表面,可以對局部應(yīng)力進(jìn)行大范圍測量,并且能夠清晰、直觀的反應(yīng)軸式吊耳的應(yīng)力集中現(xiàn)象以及對應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行確定。給出軸式吊耳局部應(yīng)力檢測的整體流程如圖2。
圖2 軸式吊耳局部應(yīng)力檢測流程圖Fig.2 Flow chart of local stress detection for shaft lifting lug
利用軸式吊耳局部應(yīng)力有限元檢測模型對軸式吊耳的局部應(yīng)力進(jìn)行檢測,將有限元檢測模型放置在偏振光場內(nèi),在需要檢測的部分粘貼上光彈性貼片,當(dāng)給有限元檢測模型加上載荷時(shí),光彈性貼片上會(huì)對應(yīng)出現(xiàn)一些較為明顯的干涉條紋[10]。如果未出現(xiàn)明顯干涉條紋在直接結(jié)束檢測,反之出現(xiàn)了明顯干涉條紋則繼續(xù)后續(xù)處理。由于應(yīng)力值與這些干涉條紋成對應(yīng)關(guān)系,因此,通過對干涉條紋的數(shù)目進(jìn)行測量,即可確定受載荷狀態(tài)下軸式吊耳的局部應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)有限元檢測模型的應(yīng)力梯度越大時(shí),就會(huì)出現(xiàn)越密集的干涉條紋。利用這種方式,可以大面積對軸式吊耳局部應(yīng)力條紋圖像進(jìn)行顯示,因此,當(dāng)軸式吊耳受到的載荷情況較為多變以及構(gòu)件幾何形狀較為復(fù)雜時(shí),都可以利用這種方法對軸式吊耳的局部應(yīng)力狀況進(jìn)行檢測。
為了驗(yàn)證所提軸式吊耳的局部應(yīng)力檢測方法的有效性和可行性,設(shè)計(jì)了一個(gè)對比實(shí)驗(yàn)。
選擇某軸式吊耳作為實(shí)驗(yàn)吊耳,對其進(jìn)行整體最大應(yīng)力值的測試與應(yīng)力值最大處的測定,發(fā)現(xiàn)其應(yīng)力值最大處位于吊耳管壁與井字內(nèi)筋板的輝接處,該處由于幾何不連續(xù)性而發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象,而吊耳管壁外側(cè)的應(yīng)力值也較大,該處位于鋼絲繩接觸面與吊耳的中間區(qū)域,應(yīng)力分布也較為集中,分別對吊耳管壁與井字內(nèi)筋板的輝接處與吊耳管壁外側(cè)進(jìn)行局部應(yīng)力檢測。給出的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表3。
表3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.3 Experimental parameters
為了保證實(shí)驗(yàn)的有效性,使用基于參數(shù)化技術(shù)的吊耳局部應(yīng)力檢測方法、基于力學(xué)模型分析的吊耳局部應(yīng)力檢測方法與文章提出的軸式吊耳的局部應(yīng)力檢測方法進(jìn)行比較,觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果,比較各種方法的應(yīng)力檢測準(zhǔn)確度。
利用基于參數(shù)化技術(shù)的吊耳局部應(yīng)力檢測方法、基于力學(xué)模型分析的吊耳局部應(yīng)力檢測方法、軸式吊耳的局部應(yīng)力檢測方法,對實(shí)驗(yàn)軸式吊耳的吊耳管壁與井字內(nèi)筋板的輝接處、吊耳管壁外側(cè)進(jìn)行局部應(yīng)力檢測,其應(yīng)力檢測準(zhǔn)確度對比如圖3、圖4。
圖3 輝接處應(yīng)力檢測準(zhǔn)確度對比Fig.3 Accuracy comparison of stress measurement at glow joint
圖4 吊耳管壁外側(cè)應(yīng)力檢測準(zhǔn)確度對比Fig.4 Comparison of accuracy of stress detection on outside wall of lug tube
分析圖3得出,在吊耳管壁與井字內(nèi)筋板的輝接處,基于參數(shù)化技術(shù)的吊耳局部應(yīng)力檢測方法的應(yīng)力檢測準(zhǔn)確度為70.18%;基于力學(xué)模型分析的吊耳局部應(yīng)力檢測方法的應(yīng)力檢測準(zhǔn)確度為34.82%;軸式吊耳的局部應(yīng)力檢測方法的應(yīng)力檢測準(zhǔn)確度為96.11%。對比三種不同方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得,所提的軸式吊耳局部應(yīng)力檢測方法的應(yīng)力檢測準(zhǔn)確度遠(yuǎn)高于前兩種方法的應(yīng)力檢測準(zhǔn)確度。
分析圖4可知,在吊耳管壁外側(cè),基于參數(shù)化技術(shù)的吊耳局部應(yīng)力檢測方法的應(yīng)力檢測準(zhǔn)確度為67.21%;基于力學(xué)模型分析的吊耳局部應(yīng)力檢測方法的應(yīng)力檢測準(zhǔn)確度為29.42%;軸式吊耳的局部應(yīng)力檢測方法的應(yīng)力檢測準(zhǔn)確度為93.14%。通過比較可知,軸式吊耳的局部應(yīng)力檢測方法的應(yīng)力檢測準(zhǔn)確度最高。
綜合上述結(jié)果得出,所提的軸式吊耳局部應(yīng)力檢測方法的應(yīng)力檢測準(zhǔn)確度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的檢測方法,具有一定的有效性和可行性。
軸式吊耳局部應(yīng)力檢測方法通過軸式吊耳局部應(yīng)力有限元檢測模型的建立,實(shí)現(xiàn)了局部應(yīng)力的檢測,且局部應(yīng)力檢測準(zhǔn)確度高于傳統(tǒng)吊耳局部應(yīng)力檢測方法,該方法的提出對軸式吊耳局部應(yīng)力檢測領(lǐng)域具有很大意義。但該方法在應(yīng)力檢測效率方面尚且存在不足,未來將針對檢測效率問題進(jìn)行深入研究,致力于為吊裝安全技術(shù)的發(fā)展提供有效參考。