基于SolidWorks的吊装平衡梁静力学特性分析及结构优化

基于 SolidWorks的吊装平衡梁静力学特性分析及结构优化

赵志明

煤制油化工安装检修分公司，宁夏 宁东 750411

摘要：平衡梁为吊装机具的重要组成部分，在起重工程中被广泛应用。平衡梁又称铁扁担，可用于保持被吊设备的平衡，避免吊索损坏设备，减小起吊高度，减少设备起吊时所承受的水平压力，避免损坏设备。针对某化工厂汽轮机转子吊装平衡梁进行静力学特性分析，计算平衡梁最大静变形和最大静应力，在满足吊装要求的基础上，利用有限元分析软件对平衡梁进行结构优化，实现轻量化设计，减轻平衡梁重量。

关键词：平衡梁；有限元分析；静力学特性；轻量化设计

一、引言

某化工厂空分装置有两套空压机组，机组由德国西门子公司设计制造的SST-600全凝式汽轮机、STC-SR 450-10V6-2型空压机、STC-GV(20-5-H)型增压机组成。汽轮机通过“一拖二”形式，同时驱动空压机与增压机，检修过程中采用平衡梁对汽轮机转子进行吊装，如图1所示。

图1 平衡梁吊装汽轮机转子

汽轮机转子及平衡梁规格参数如表1所示。

表1 汽轮机转子及平衡梁规格参数

为分析平衡梁结构是否满足吊装要求，避免平衡梁结构笨重、材料浪费、强度和刚度存在较大富裕量等问题，利用有限元分析软件对平衡梁进行结构轻量化研究。

二、平衡梁的结构和载荷分布

平衡梁是由两根横梁、吊具及若干筋板组成，横梁采用槽钢加工制作，如图2所示。

图2 平衡梁三维实体模型

已主要受力部件横梁为研究对象，如下图3（左）所示，其横梁结构和受力具有对称性，只取一根横梁的二分之一加以研究。由于一些细小特征对横梁变形影响较小，所以在保证零件结构的基础上对模型进行适当的简化，如下图3（右）所示。

图3 横梁三维实体模型及简化模型

槽钢规格选用40#C，其截面尺寸大小为400×104×14.5mm，槽钢材质为Q235，其材料力学性能如下表2所示。

表2 Q235材料力学性能

以一根横梁的二分之一为研究对象，将横梁简化为简支梁，L=7.5/2=3.75m，横梁所受重力m=15/4=3.75t，横梁受力简图如下图4所示。

图4 横梁受力简图

三、基于SolidWorks的平衡梁结构静态分析

利用有限元分析软件SolidWorks对研究对象施加约束和受力，计算结束后查看横梁应力及应变图解，如图5所示。

图5 横梁所受应力云图（左）、应变云图（右）

查看横梁应力及应变云图，可得横梁所受最大应力值及最大变形量，如表3所示。

表3 横梁所受最大应力值、最大变形量

一般取安全系数n=1.5，依据Q235材质屈服强度，其许用应力值[σ]=157MPa，可知横梁的最大应力比其许用应力值[σ]略大，就平衡梁整体而言，其强度在安全范围内，满足强度使用要求^[3]。横梁所受的最大变形量小于其最大静挠度f_max=L/1000，满足刚度使用要求^[1，4]。

但是平衡梁存在重量大、其静刚度和强度不高等因素，为了提高其刚度、强度，减少平衡梁重量，增强其抵抗变形的能力，应考虑对平衡梁进行轻量化设计。

四、平衡梁结构优化

保持横梁尺寸不变，为减少平衡梁重量，槽钢规格选用40#A，截面尺寸大小为400×100×10.5mm,将横梁两端布置15mm厚纵横交错的筋板，用以提高平衡梁的刚度和强度，优化后的横梁如图6所示。

图6 优化后的横梁

利用有限元分析软件SolidWroks对优化后的横梁进行静力学分析，计算结束后查看横梁的应力及应变图解，如图7所示。

图7 优化后横梁所受应力云图（左）、应变云图（右）

查看优化后横梁应力及应变云图，可得横梁所受最大应力值及最大变形量，如表4所示。

表4 优化后横梁所受最大应力值、最大变形量

针对优化后的横梁，横梁的最大应力比其许用应力值[σ]略大,就平衡梁整体而言，其强度在安全范围内，满足强度使用要求^[3]。横梁所受的最大变形量小于其最大静挠度f_max=L/1000，满足刚度使用要求^[1，4]。

五、结果分析

根据上述分析，表5列出优化前后横梁规格参数、最大变形量及最大应力值对比情况。

表5 优化前后参数对比

通过以上分析计算，在满足安全使用的前提下，通过改变横梁槽钢型号、增加横梁筋板，使平衡梁重量由1.2t降为0.89t，重量降低了25.8%；横梁最大变形量由2.329mm降低为2.185mm，平衡梁的静刚度提高了6.18%；最大应力值由200.6MPa降为180.9MPa，降低了9.8%，显著改善了平衡梁的静力学特性。

六、结论

本文在分析某化工厂空分装置汽轮机转子吊装平衡梁结构和受力特点的基础上，利用有限元分析软件SolidWorks对吊装平衡梁进行三维建模、静力学特性分析，通过分析计算确定横梁的最大变形量、最大应力值，并且通过优化横梁结构，减轻了平衡梁的重量，达到轻量化设计的目标，提高了平衡梁的静力学特性，对平衡梁的设计分析具有一定的参考价值。

参考文献

1.基于ANSYS的定梁龙门机床横梁静力学特性分析及结构优化——曹明.制造业信息化

2.液压机上横梁有限元分析及结构优化——曹文钢.装备

3.材料力学——刘鸿文.高等教育出版社

4.液压机的设计与应用——俞新陆.机械工业出版社