CN114492109A - 基于仿真建模的吊装扁担加筋方法及吊装扁担 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于仿真建模的吊装扁担加筋方法及吊装扁担，包括：建立有限元模型，主要有根据工程设计确定的吊装扁担的结构，绘制吊装扁担的三维实体模型；对三维实体模型赋予材料属性；将吊装扁担的三维实体模型进行单元网格划分；施加约束，施加载荷，得到有限元模型，对建立的有限元模型仿真计算，得到吊装扁担各处的应力；修改吊装扁担的三维实体模型，在吊装扁担的应力大于阈值的位置设置加强筋，重复上述步骤，直至吊装扁担各处的应力均满足阈值。其优点在于，通过科学的仿真建模方法和有限元计算方法来全面分析吊装扁担各处的应力，从而排查出应力较大的部位，而后针对这些部位通过加强筋特定补强，从而提高吊装扁担的结构强度。

Description

基于仿真建模的吊装扁担加筋方法及吊装扁担
技术领域
本发明涉及土木工程设备技术领域，特别是涉及一种基于仿真建模的吊装扁担加筋方法。
背景技术
目前，不论是在地上工程还是地下工程，吊装大型物件时一般都会采用吊装扁担，在地下工程中地下连续墙的施工一般采用钢筋笼地面制作、整体一次性吊装就位的工艺方法。随着基坑深度不断加深，钢筋笼本身的质量越来越大，造成整体吊装施工的难度增大，安全性问题突出。为保证钢筋笼顺利起吊和安全施工，要求起吊组件有足够的强度与刚度。起吊组件主要由扁担、滑轮组和钢丝绳组成，其中扁担属于非标件，承受起吊钢筋笼的全部重量，因此，实际工程设计中需要对扁担进行力学分析，确保其安全性。现有的吊装扁担在设计过程一般没有进行强度刚度的分析，且吊装扁担在吊装大型重物后，容易在空中不稳定，在使用过程中存在重大的安全隐患。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的缺陷，从而提供一种基于仿真建模的吊装扁担加筋方法及吊装扁担。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于仿真建模的吊装扁担加筋方法，包括：
根据工程设计确定的吊装扁担的结构，绘制吊装扁担的三维实体模型；
对三维实体模型赋予材料属性；
将吊装扁担的三维实体模型进行单元网格划分；
施加约束，包括X轴约束、Y轴约束和Z轴约束，模拟钢丝约束，施加载荷，包括风载荷和垂直向下的物料载荷；得到有限元模型，对建立的有限元模型仿真计算，得到所述吊装扁担各处的应力；
修改吊装扁担的三维实体模型，在所述吊装扁担的应力大于阈值的位置设置加强筋，重复上述步骤，直至所述吊装扁担各处的应力均满足阈值。
优选地，所述吊装扁担为平板结构，所述方法还包括：
在所述吊装扁担侧面的应力大于阈值的位置设置直杆加强筋，直杆加强筋沿X轴方向设置，且若干加强筋间隔设置。
优选地，所述直杆加强筋的横截面为半圆形，所述直杆加强筋的半径范围为0.5～3mm。
优选地，所述吊装扁担包括吊装孔；所述方法还包括：
若所述吊装孔处的应力大于阈值，则在所述吊装孔的开孔面设置圆环加强筋，所述圆环加强筋的孔径与所述吊装孔的孔径相同。
优选地，所述圆环加强筋的横截面为1/4圆形，所述圆环加强筋的半径范围为0.5～3mm。
优选地，所述材料属性包括材料的类型、弹性模量与泊松比。
优选地，绘制吊装扁担的三维实体模型的步骤采用通用三维计算机几何造型软件完成。
优选地，建立有限元模型的步骤采用计算机辅助工程分析仿真CAE软件完成；所述步骤包括：
进行网格划分时，采用高阶六面体单元划分，划分为8节点的块体有限单元或20节点的块体有限单元。
优选地，施加载荷和计算应力的步骤采用所述计算机辅助工程分析仿真CAE软件完成，所述步骤包括：
将有限元模型导入所述计算机辅助工程分析仿真CAE软件中进行参数设置、加载和求解；对计算结果在所述计算机辅助工程分析仿真CAE软件中进行后处理，分析吊装扁担各处的应力。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种吊装扁担，为平板结构，包括若干吊装孔，采用上述基于仿真建模的吊装扁担加筋方法，在平板结构的侧面和/或吊装孔处设置加强筋
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
上述技术方案中所提供的基于仿真建模的吊装扁担加筋方法及吊装扁担，通过科学的仿真建模方法和有限元计算方法来全面分析吊装扁担各处的应力，从而排查出应力较大的部位，而后针对这些部位通过加强筋特定补强，从而提高吊装扁担的结构强度，相比现有技术中依靠设计人员的经验对吊装扁担进行设计和补强，本技术方案具有效率高、精确度高、可靠性强等优点，可以避免由于受力状态考虑不周及计算不完善导致的吊装安全事故。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的方法的流程示意图。
图2为本发明实施例的吊装扁担的网格划分示意图。
图3为本发明实施例的吊装扁担及加强筋的结构示意图。
图4为图3所示的吊装扁担及加强筋的侧视示意图。
图5为图3所示的吊装扁担及加强筋的局部放大示意图。
附图标记说明：
1、吊装扁担；11、侧面；12、第一吊装孔；13、第二吊装孔；
2、直杆加强筋；21、圆环加强筋。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如附图1所示，本发明实施例提供了一种基于仿真建模的吊装扁担加筋方法，包括：
步骤一：根据工程设计确定的吊装扁担的结构，绘制吊装扁担1的三维实体模型；绘制吊装扁担的三维实体模型的步骤采用通用三维计算机几何造型软件完成，本实施例采用SolidWorks软件，具体的，在SolidWorks软件中建立吊装扁担1的三维实体模型，可对一些不必要的特征和附属部件进行简化删除，比如倒角、螺栓孔等特征删除，将细小的面进行合并，有利于获取较好的网格质量，而对于一些可以忽略的附属部件，在加载时需要考虑他们的质量；简化步骤可在workbench软件中进行；建模时，注意选取默认的笛卡尔坐标系作为建模坐标系，将坐标系的原点与吊装扁担1的几何尺寸标注呈一致，为后续建模提供方便。
如附图3所示的实施例，吊装扁担1为平板结构，其尺寸长宽厚为5000×1000×120mm，其上设有若干吊装孔，包括分部在上部的四个第一吊装孔12，和分部在下部的八个第二吊装孔13，第一吊装孔12用于连接吊具，比如吊车、吊臂等，第二吊装孔13用于连接物料，第一吊装孔12的孔径为150mm，第二吊装孔13的孔径为130mm。吊装扁担1的三维实体模型依据上述参数建立。吊装扁担1的长度方向为X轴方向，宽度方向为Z轴方向，厚度方向为Y轴方向。
步骤二：对三维实体模型赋予材料属性，材料属性包括材料的类型、弹性模量与泊松比，本实施例中，可选择材料强度高、韧性较好的钢材，比如65Mn弹簧钢，其弹性模量为2.1×1011Pa，泊松比为0.288。
步骤三：利用有限元分析法将吊装扁担1的三维实体模型进行单元网格划分，该步骤采用计算机辅助工程分析仿真CAE软件完成。本施实例采用计算机辅助工程分析仿真软件Ansys进行吊装扁担1的仿真建模与仿真分析，其中吊装扁担1的几何模型也可利用Ansys软件的几何建模功能完成。优选地，进行网格划分时，采用高阶六面体单元划分，划分为8节点的块体有限单元或20节点的块体有限单元；网格划分的基本要求是网格尽量规则，如附图2所示，为一种实施例中的吊装扁担1的网格划分示意图。
步骤四：施加约束和施加载荷，最后得到有限元模块，约束包括X轴约束、Y轴约束和Z轴约束，来模拟钢丝约束，如附图2所示，设定吊装扁担1位于XZ平面内，向右为X正方向，向下为Z正方向，吊装扁担的1厚度方向(垂直于吊装扁担1的侧面11的方向)为Y方向(右手螺旋规则)，可以在第一吊装孔12处施加Y方向约束，2个点的X、Z方向约束，约束刚体位移、模拟4根钢丝约束；载荷包括风载荷和垂直向下的物料载荷；对建立的有限元模型仿真计算，得到吊装扁担1各处的应力。物料载荷可直接输入，对第二吊装孔13的下1/4圆柱面施加竖直向下的力，力的大小为125000N；该步骤可在与步骤四相同的计算机辅助工程分析仿真CAE软件中完成，具体的，在ANSYS软件中进行参数设置、加载和求解；并在ANSYS软件中进行计算结果的后处理，分析吊装扁担1各处的应力，根据实际情况建立反应单元应力和应变单元表，再绘制等效应力图和等效应变图，获得可靠的结果。
在一些实施例中，吊装扁担1用于吊运钢筋笼，为方便分析，本实施例的施加约束与载荷是根据起吊钢筋笼时的实际情况经简化得到。具体为：1、起吊钢筋笼通常采用主、副吊，即用2副起吊组件同时吊住钢筋笼，2副起吊组件的吊装扁担1的形状相同，起吊组件对吊装扁担1的约束是相同，即吊装扁担1上部连接吊机钢丝的几个第一吊装孔12作为约束，本实施例单独取主吊进行力学分析，这样主、副吊同时使用有足够的安全系数；2、如附图3所示的实施例，吊装扁担1通过下部八个第二吊装孔13中的钢丝绳吊起钢筋笼，每个第二吊装孔13受到的力是左右两个方向的合力，水平方向的力相互抵消，因此每个第二吊装孔13受到向下的力，考虑到钢丝绳的直径可以将载荷加载在孔面的1/4圆环内(作为面载荷施加)；3、除了考虑第二吊装孔13的受力，还需考虑第一吊装孔12的受力情况，第一吊装孔12除了受到物料载荷的力，还受到了吊装扁担1的自重，通过吊装扁担1选用的材料可知密度，结合吊装扁担1的结构可计算吊装扁担1的自重，并将载荷加载在第一吊装孔12的孔面内(作为面载荷施加)；4、由于大型钢结构体积庞大，大部分在露天环境下作业，因此需要考虑风载荷：PW=CKhQA，其中，PW代表作用在吊装面板上的风载荷；C代表风力系数；Kh代表风压高度变化系数；Q代表计算风压，N/m2；A代表垂直于风向的迎风面积。
步骤五：基于上述步骤获得吊装扁担1起吊并承载物料后的应力分布，针对扁担的受力状态，提出了改善扁担应力分布、提高承载能力可行的加筋方案，具体为，修改吊装扁担1的三维实体模型，在吊装扁担1的应力大于阈值的位置设置加强筋，重复上述步骤，直至吊装扁担1各处的应力均满足阈值；从而达到提升扁担刚度强度的目的，阈值可根据经验值和具体的吊装扁担1结构设置。
优选地，为方便操作，上述步骤均可在同一选择好的计算机辅助工程分析仿真软件的平台后进行。
本发明还公开一种吊装扁担1，为平板结构，包括若干吊装孔，采用上述基于仿真建模的吊装扁担1加筋方法，在平板结构的侧面11和/或吊装孔处设置加强筋。
具体的，以附图3所示的吊装扁担1为例，吊装扁担1为平板结构，在吊装扁担1侧面11的应力大于阈值的位置设置直杆加强筋2，直杆加强筋2沿X轴方向设置，且若干加强筋间隔设置，在吊装扁担1侧面11的第二吊装孔13的下方设置五条横向的直杆加强筋2，每条直杆加强筋2间隔为30mm，在第一吊装孔12和第二吊装孔13之间的吊装扁担1侧面11上设置八条横向的直杆加强筋2，每条直杆加强筋2间隔30mm，在吊装扁担1侧面11的第一吊装孔12的上方设置七条横向的直杆加强筋2，每条直杆加强筋2间隔30mm，为了不磨损钢丝吊绳，直杆加强筋2的横截面为半圆形，直杆加强筋2的半径范围为0.5～3mm，优选地，直杆加强筋2的半径为3mm。
在一些实施例中，若吊装孔处的应力大于阈值，则在吊装孔的开孔面设置圆环加强筋21，圆环加强筋21的孔径与吊装孔的孔径相同。由建模仿真结果可知，扁担的上部四个第一吊装孔12的应力最大，因此，如附图5所示，为了加强扁担承载能力，在第一吊装孔12的开孔面设置圆环加强筋21，圆环加强筋21的孔径与吊装孔的孔径相同，优选地，圆环加强筋21的横截面为1/4圆形，圆环加强筋21的半径范围为0.5～3mm，为避免磨损钢丝吊绳，圆环加强筋21的半径为2mm。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于仿真建模的吊装扁担加筋方法，其特征在于，包括：
根据工程设计确定的吊装扁担的结构，绘制吊装扁担的三维实体模型；
对三维实体模型赋予材料属性；
将吊装扁担的三维实体模型进行单元网格划分；
施加约束，包括X轴约束、Y轴约束和Z轴约束，模拟钢丝约束，施加载荷，包括风载荷和垂直向下的物料载荷，得到有限元模型，对建立的有限元模型仿真计算，得到所述吊装扁担各处的应力；
修改吊装扁担的三维实体模型，在所述吊装扁担的应力大于阈值的位置设置加强筋，重复上述步骤，直至所述吊装扁担各处的应力均满足阈值。
2.根据权利要求1所述的基于仿真建模的吊装扁担加筋方法，其特征在于，所述吊装扁担为平板结构，所述方法还包括：
在所述吊装扁担侧面的应力大于阈值的位置设置直杆加强筋，直杆加强筋沿X轴方向设置，且若干加强筋间隔设置。
3.根据权利要求2所述的基于仿真建模的吊装扁担加筋方法，其特征在于，所述直杆加强筋的横截面为半圆形，所述直杆加强筋的半径范围为0.5～3mm。
4.根据权利要求1所述的基于仿真建模的吊装扁担加筋方法，其特征在于，所述吊装扁担包括吊装孔；所述方法还包括：
若所述吊装孔处的应力大于阈值，则在所述吊装孔的开孔面设置圆环加强筋，所述圆环加强筋的孔径与所述吊装孔的孔径相同。
5.根据权利要求4所述的基于仿真建模的吊装扁担加筋方法，其特征在于，所述圆环加强筋的横截面为1/4圆形，所述圆环加强筋的半径范围为0.5～3mm。
6.根据权利要求1所述的基于仿真建模的吊装扁担加筋方法，其特征在于，所述材料属性包括材料的类型、弹性模量与泊松比。
7.根据权利要求1所述的基于仿真建模的吊装扁担加筋方法，其特征在于，绘制吊装扁担的三维实体模型的步骤采用通用三维计算机几何造型软件完成。
8.根据权利要求1所述的基于仿真建模的吊装扁担加筋方法，其特征在于，建立有限元模型的步骤采用计算机辅助工程分析仿真CAE软件完成；所述步骤包括：
进行网格划分时，采用高阶六面体单元划分，划分为8节点的块体有限单元或20节点的块体有限单元。
9.根据权利要求8所述的基于仿真建模的吊装扁担加筋方法，其特征在于，施加载荷和计算应力的步骤采用所述计算机辅助工程分析仿真CAE软件完成，所述步骤包括：
将有限元模型导入所述计算机辅助工程分析仿真CAE软件中进行参数设置、加载和求解；对计算结果在所述计算机辅助工程分析仿真CAE软件中进行后处理，分析吊装扁担各处的应力。
10.一种吊装扁担，为平板结构，包括若干吊装孔，其特征在于，采用权利要求1至9任一项所述的基于仿真建模的吊装扁担加筋方法，在平板结构的侧面和/或吊装孔处设置加强筋。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116244839A (zh) * 2022-12-07 2023-06-09 哈尔滨工业大学 一种获取磁悬浮底板吊装最优方案的方法

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