胡正西， 潘斯寧， 易偉健， 梁欽祥

（賀州學(xué)院，廣西 賀州542800）

0 引言

隨著人造石板材產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，我國人造石板材出口大幅提升。而用于吊裝人造石板材的U形安全吊在集裝箱的裝箱作業(yè)中也越來越多。并且隨著石材材質(zhì)及規(guī)格的變化，石材自身質(zhì)量也隨之變化。為了保證U形安全吊結(jié)構(gòu)的可靠性，優(yōu)化其整體結(jié)構(gòu)及自身質(zhì)量，提高裝卸作業(yè)安全性和裝卸效率，有必要對U形吊架進(jìn)行設(shè)計(jì)校核及優(yōu)化，不斷推出新型的U形安全吊。很多行業(yè)，比如電力行業(yè)的鋼管的吊裝也使用U形吊[1]，應(yīng)力計(jì)算和材料選擇都是以人工試算為主，很難進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)工作量大。Pro/E三維軟件在很多行業(yè)都有應(yīng)用，其Mechanica 模塊也常被人們用來做結(jié)構(gòu)的分析和優(yōu)化[2-5]。而本文以人造石材行業(yè)用U形安全吊為研究對象，應(yīng)用參數(shù)化三維設(shè)計(jì)軟件Pro/E，對石材企業(yè)中用于裝卸人造石板材的U形安全吊進(jìn)行建模，提出U形安全吊參數(shù)化、可視化的設(shè)計(jì)思路，優(yōu)化結(jié)構(gòu)并減小U形安全吊的質(zhì)量，大大提高設(shè)計(jì)效率。

1 U形安全吊建模

U形安全吊是用于成捆人造石板材在用貨柜或集裝箱運(yùn)輸時(shí)的掏箱與裝箱設(shè)備，是利用車間的行吊或汽車吊車作為裝卸動(dòng)力，通過吊鉤吊起U形安全吊，用吊帶將人造石板材平衡懸掛在下吊臂上；人員操控行吊和移動(dòng)控制桿控制U形安全吊的擺動(dòng)，平穩(wěn)地將U形安全吊下的石材大板伸進(jìn)（伸出）集裝箱進(jìn)行裝箱或卸貨。

石板材的裝卸如圖1所示。吊裝使用時(shí)，首先將上吊臂的主吊孔和副吊孔分別與行吊2的2個(gè)小車1下的平行吊鉤直接連接，然后用吊帶5將石板4懸掛在下吊臂上，同時(shí)調(diào)整好掛臂模塊吊點(diǎn)位置，使石板材懸掛平衡；其次控制行吊2吊起U形安全吊3而間接吊起石板4，再通過控制移動(dòng)行吊2及小車1，同時(shí)人工移動(dòng)控制桿6控制U形安全吊的擺動(dòng)，平穩(wěn)地將U形安全吊3下的石板4伸進(jìn)（伸出）集裝箱，完成裝箱或卸貨。

1.1 U形安全吊結(jié)構(gòu)

U 形安全吊載荷大，因而結(jié)構(gòu)尺寸和自身質(zhì)量也隨之增大，整體長度為6.05 m，整體高度為1.5 m，整體質(zhì)量約為1.89 t。

1.2 模型創(chuàng)建

Pro/E三維模型的構(gòu)建是通過修改特征參數(shù)實(shí)現(xiàn)的。U形安全吊三維模型創(chuàng)建是保證結(jié)構(gòu)正常運(yùn)行分析的前提，結(jié)構(gòu)分析模型的建立直接影響到分析結(jié)果，與實(shí)際情況越接近，分析結(jié)果越準(zhǔn)確。

建模前，首先根據(jù)U形安全吊功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，通過二維結(jié)構(gòu)圖對其結(jié)構(gòu)尺寸深入剖析，分解各組成部件的相對關(guān)系，使用拉伸、孔等工具命令創(chuàng)建模型特征，完成建立U形吊架三維模型創(chuàng)建。U形安全吊的三維模型如圖2所示。

圖1 人造石板材的裝卸示意圖

圖2 U形安全吊三維模型圖

1.3 結(jié)構(gòu)分析模型創(chuàng)建

為保證U形安全吊的三維模型在MechanicaStructure模塊中，能以真實(shí)環(huán)境模擬運(yùn)行仿真分析，需對U形安全吊結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，定義其材料特性，給U形安全吊添加適當(dāng)?shù)募s束和有效的載荷，設(shè)置網(wǎng)格劃分。

1）定義模型材料。結(jié)構(gòu)抵抗破壞和承載質(zhì)量的能力，主要取決于材料本身。進(jìn)入Mechanica結(jié)構(gòu)分析模塊，使用材料分配工具按鈕將庫中的Steel材料加載到模型中的材料列表框，并按要求修改材料拉伸屈服應(yīng)力為420 MPa、抗張極限應(yīng)力為600 MPa、密度為7.827 g/cm3、彈性模量為199 948 MPa、泊松比為0.3，以及熱膨脹系數(shù)、失效準(zhǔn)則、疲勞等參數(shù)定義。

2）施加載荷。U形安全吊的載荷主要是起吊大理石板材的質(zhì)量和U形安全吊的質(zhì)量。在Mechanica Structure模塊中則以平面均勻載荷的形式施載，通過試算約為50 kN，將其定義為工作載荷。考慮到U形安全吊自身質(zhì)量，以重力加速度模擬其自身重力。

3）添加約束。U形安全吊主要通過上吊臂的吊孔與行吊的2個(gè)小車下的平行吊鉤直接連接，由行吊控制上下運(yùn)動(dòng)、左右運(yùn)動(dòng)和前后運(yùn)動(dòng)，由于實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況復(fù)雜，現(xiàn)簡化為懸臂梁結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，應(yīng)力分析可假設(shè)為上吊臂不動(dòng)，下吊臂施加載荷進(jìn)行。因此則在Mechanica Structure模塊中用位移約束工具創(chuàng)建約束，同時(shí)設(shè)置“約束”對話框中平移和旋轉(zhuǎn)選項(xiàng)組定義約束面相對于X/Y/Z軸的平移約束固定和旋轉(zhuǎn)約束固定。

2 U形安全吊的結(jié)構(gòu)分析

對模型材料分配、約束與載荷等參數(shù)設(shè)置后，通過建立U形安全吊的靜態(tài)分析、模態(tài)分析、失穩(wěn)分析通過運(yùn)行查看其應(yīng)力結(jié)果，驗(yàn)證吊具的結(jié)構(gòu)是否滿足要求，對分析結(jié)果進(jìn)行具體的分析，且為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)建立基礎(chǔ)，以獲取最優(yōu)化的結(jié)果。

2.1 U形安全吊靜態(tài)分析

創(chuàng)建U形安全吊的靜態(tài)分析，以模擬分析模型結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，根據(jù)模型設(shè)定的載荷和約束，計(jì)算出模型的應(yīng)力。在分析和設(shè)計(jì)研究對話框中，建立靜態(tài)分析項(xiàng)目，運(yùn)行分析后，設(shè)置結(jié)果輸出選項(xiàng)，可得圖3所示的最大主值應(yīng)力條紋圖。

從圖3中可以看出，U形安全吊的最大主應(yīng)力值分布在吊臂彎曲處內(nèi)壁上的區(qū)域，受到的最大拉伸應(yīng)力達(dá)到219 MPa，整體強(qiáng)度基本滿足要求。遠(yuǎn)小于所允許的屈服極限值，采取外形圓滑過渡或適當(dāng)增加加強(qiáng)筋等措施來降低局部應(yīng)力。

2.2 U形安全吊模態(tài)分析

圖3 應(yīng)力條紋圖

在靜態(tài)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，分析出模型在載荷作用下發(fā)生變形的形式和變形的大小。在分析和設(shè)計(jì)研究對話框中，定義失穩(wěn)模式數(shù)為4。運(yùn)行分析后，從U形安全吊的模態(tài)分析位移條紋（如圖4）中可知彎曲部分和下半部分會(huì)發(fā)生變形，導(dǎo)致下吊臂往右邊傾斜下垂，但該結(jié)構(gòu)變形較小，最高位移量為1.794 mm，對整體結(jié)構(gòu)幾乎沒有影響。

圖4 模態(tài)分析位移條紋圖

2.3 U形安全吊失穩(wěn)分析

創(chuàng)建U形安全吊的失穩(wěn)分析，是在靜態(tài)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，分析出模型在載荷作用下發(fā)生變形的形式和變形的大小。在分析和設(shè)計(jì)研究對話框中，建立失穩(wěn)分析，定義失穩(wěn)模式數(shù)為5。運(yùn)行分析后，從U形安全吊的失穩(wěn)變形條紋（如圖5）中可知，U形吊的下半部分在掛石材處最可能發(fā)生變形，導(dǎo)致下吊臂往右邊傾斜下垂，但該結(jié)構(gòu)變形較小，對整體結(jié)構(gòu)影響不大。

圖5 失穩(wěn)變形條紋圖

3 U形安全吊的優(yōu)化設(shè)計(jì)

U形安全吊的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是求其在滿足結(jié)構(gòu)所需的承載能力，保證其結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度，不超過許用應(yīng)力條件下，對吊臂寬度進(jìn)行優(yōu)化，節(jié)省材料，降低自身質(zhì)量。

3.1 參數(shù)選擇

由于U形安全吊的兩吊臂長度是根據(jù)集裝箱尺寸設(shè)計(jì)的，而上吊臂與下吊臂之間的距離已縮短到極限，如繼續(xù)縮小會(huì)導(dǎo)致U形安全吊與集裝箱發(fā)生碰撞，因此兩吊臂長度和中心距離不能改變。另外，由于上吊臂的主吊孔設(shè)在吊具的質(zhì)心位置，距離不能改變，而吊臂的寬度尺寸可以調(diào)動(dòng)的。結(jié)合前述分析結(jié)果，取吊臂寬度尺寸為研究參數(shù)，分析其對整個(gè)模型強(qiáng)度和剛度性能的影響。

3.2 吊臂截面寬度選擇

創(chuàng)建以吊臂截面寬度的最小參數(shù)為70 mm和最大參數(shù)為90 mm進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

改變吊臂的寬度，吊臂的應(yīng)力雖隨其尺寸的改變發(fā)生變化，但均未出現(xiàn)紅色區(qū)域，在彎曲部分內(nèi)壁的拉伸應(yīng)力小于材料的抗拉強(qiáng)度，滿足工作要求。而從輸出的變形條紋圖分析可知，改變吊臂的寬度，吊臂的變形發(fā)生變化，相比于吊臂原截面尺寸寬度的變形條紋圖，系統(tǒng)優(yōu)化后71.885 mm的結(jié)果，臂寬的變形程度較小。

3.3 模型優(yōu)化后的靜態(tài)分析

對已優(yōu)化后的U形安全吊，按同樣要求創(chuàng)建載荷與約束、分配材料和網(wǎng)格創(chuàng)建進(jìn)行靜態(tài)分析，計(jì)算出模型優(yōu)化后的應(yīng)力和應(yīng)變。在分析和設(shè)計(jì)研究對話框中，新建靜態(tài)分析項(xiàng)目，運(yùn)行分析后，設(shè)置結(jié)果輸出選項(xiàng)，可得圖6所示的最大主值應(yīng)力條紋圖。

圖6 應(yīng)力條紋圖

從圖6分析結(jié)果可以看出，U形安全吊的最大主應(yīng)力值分布在吊臂彎曲處內(nèi)壁區(qū)域，受到的最大拉伸應(yīng)力達(dá)到281 MPa左右，比優(yōu)化前的應(yīng)力略大。整體強(qiáng)度滿足要求。

3.4 優(yōu)化結(jié)果對比

由上可知，U形安全吊在施加負(fù)載后靜態(tài)分析中最大應(yīng)力雖然在逐漸增大，但均未超過材料的許用應(yīng)力，符合設(shè)計(jì)要求。以質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)，經(jīng)優(yōu)化后，在滿足結(jié)構(gòu)所需承載能力，保證結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度下，不僅節(jié)省材料使用量，降低整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量，相比U形安全吊原始理論計(jì)算質(zhì)量為1.89 t，優(yōu)化后的U形安全吊質(zhì)量約為1.66 t，整體質(zhì)量相比減少約12%。

4 結(jié)語

綜上所述，通過應(yīng)用Pro/E軟件對U形安全吊進(jìn)行建模、靜態(tài)分析、失穩(wěn)分析、模態(tài)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)和模型升級(jí)。采用可視化的設(shè)計(jì)思路，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)并減小了U形安全吊的質(zhì)量，提高了U形安全吊的設(shè)計(jì)效率，保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1）Pro/E軟件為U形安全吊優(yōu)化設(shè)計(jì)分析提供了可視化建模思路，使模型變得直觀且易于操作。Pro/E軟件的Mechanica模塊的使用，使得不需要其他的有限元軟件也能優(yōu)化U形安全吊的結(jié)構(gòu)，使用起來更加方便省時(shí)，提高了工作效率。

2）本文以U形吊的寬度參數(shù)為例進(jìn)行了優(yōu)化。另外，在U形吊截面形狀、材料選擇等方面還可以繼續(xù)修改，進(jìn)一步優(yōu)化，從而開發(fā)出各種不同的產(chǎn)品以適用于不同的工作環(huán)境，靈活性高。