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内容提要基于Solidworks设计软件，依托软件中COSMOSWorks功能模块，对生产中自行设计并使用的吊梁进行了受力承载的模拟分析，使设计更快捷更合理。在设计过程中首先依据吊梁预期的使用功能确认起吊重量和结构型式，然后依据Solidworks2007建立了三维模型，通过COSMOS模块确定吊具承载极限，并优化设计参数。此方法为目前工程应用中有分析需求但缺乏相关有限元知识的技术人员提供了参考。
关键词SolidworksCOSMOSWorks 有限元分析 吊梁结构优化
中途分类号：B025.4 文献标识码：A文章编号：
引言
随着生产节奏的加快，工件及原材料的转运起吊越来越频繁，为提高劳动效率，加快原材料和工件的流转，工程技术人员经常需要自行设计一些符合生产要求的专用起吊用具。如何使设计的吊具得到精确计算，并保证安全的服务于生产一线，成为横亘在缺乏有限元知识的工程技术人员面前的一道难题。
Solidworks2007（以下简称SW2007）是较为常用的三维设计软件，尤其软件所嵌入的COSMOSWorks（以下简称COSMOS）模块能够进行较为精确的应力分析、应变分析、线性或非线性分析等功能。实践表明熟练掌握和使用COSMOS模块可以方便快捷的服务于生产，最大限度缩短生产所需的专用吊具设计周期，降低测试和计算成本，确保产品质量和保证安全。
吊梁结构型式
作为结构件生产厂家，现实工作中经常会使用多件吸盘起吊较长而窄的钢板或钢结构工件，下图1为针对起吊长而窄的原材料或构件的专用吊梁，主材料为工字钢I25a，材质Q345B，长度为8000mm，工字钢上翼缘焊有一块厚度为30mm的钢板作为起吊孔板，下翼缘焊有4块吸盘用小吊板（厚度为30mm）。结构如下图1所示。
实际使用时上翼缘吊板一个吊耳孔φ100为一处起吊点（以下计算均以此处起吊孔为计算吊点）；另外考虑到起吊链条长度大多3000mm，两侧跨度3000mm处加设两个起吊孔φ80，此处两孔为另一处起吊点。结构为全焊接结构，如图2，技术要求所有未注焊缝焊高12mm，所有焊缝表面磁粉检测，主材料（I25a）与吊板（吊孔φ100钢板）和吸盘用小吊板的焊缝做超声波检测，合格标准按JB4730.3-2005中I级。经检测合格后在吊梁醒目处标记最大起吊吨位。
承载分析
3.1吊梁SW2007建模
使用SW2007对吊梁进行初步建模，按图3在吊耳板处布置吊梁加强筋板。
3.2设定吊梁承载参数
如图4所示，分别为各处吊板设定承载重量。假定吊梁每个吊板承载分别为F1=F2=F3=F4，根据实际工况，设定F1=F2=F3=F4=6吨、即总计吊梁承载为F=24吨。
3.3有限元分析
选择一个算例，网格为实体网格，分析类型为静态分析。设定约束点及受力点，如图5。受力大小通过链接参数确定。
由于吊梁的结构是全焊接型式，因此设定接触型式为整体接合。对模型进行网格化，生成有限元网格，为确保分析过程合理又节省时间，需要对网格化的参数进行合理设定，过小的参数会浪费较多的分析时间，而过大的参数设定会影响分析结果的细化。如图6为网格化后的模型。
3.4查看分析结果
建立有限元模型后选择算例的“运行设计情形”项，对参数分析，可以在报告及结果中查看各项分析结果，包括吊梁的安全系数、应力分布、位移情形都可以生成最终报告。
图7所示为有限元分析应力分布结果，吊梁最大应力处位于φ100起吊孔的圆弧过渡位置和起吊梁中间的起吊位置。
根据最大 von Mises 应力必须小于材料极限应力得出：
σvon Mises＜σlimit（按材料Q345B取295MPa）
当吊梁仅承载24吨（4×6吨）时，最大σvon Mises =307MPa，大于Q345B的295MPa，所以此结构不安全，需根据应力分布图需要在应力较大处更改吊梁结构。
4结构优化
4.1优化吊梁结构
在受力吊梁中间吊点增加筋板数量增强刚度，在吊孔位置增加圆弧过渡半径尺寸（原R100增加为R160），减少应力集中，优化后的吊梁如图8所示。
4.2分析结果
对结构优化后，按照上文第3节各步骤对模型进行再次分析，网格化后分析承载测算结果，如下图9为静载分析应力分布圖。
根据最大 von Mises 应力必须小于材料极限应力得出：
σvon Mises=182MPa＜σlimit（按材料Q345B取295MPa）
根据结果当吊梁承载24吨（4×6吨）时：
σvon Mises =182MPa，小于σlimit（按材料Q345B取295MPa）；根据机械设计手册中轧钢基本安全系数为1.2～1.5，此处安全系数最小为1.4符合要求；根据《GB50017-2003》中受弯构件挠度容许值采用[l/500]（l为受弯构件的跨度，此处l=8000mm），最大位移3.6mm，可以确定挠度符合要求；由于生产中实际使用吊车负载为20吨，所以根据测算结果及实际情况，吊梁上应喷涂“实际载重≤20吨”标识。
结论
基于SolidworksCOSMOSWorks功能模块，起吊用具的受力承载的模拟分析变得较为便捷，安全性能趋于合理。而COSMOSWorks模块具有强大的模拟测算功能，熟悉并掌握这些功能将极大的提升我们的设计能力和工艺水平。如将吊梁部分尺寸进行系列化设计，通过尺寸驱动模型包括长度，截面，起吊重量等，可以设计出更加符合生产要求的吊梁。
参考文献
[1].成大先.机械设计手册（第四卷），化学工业出版社，2008.4。
[2].《SolidworksCOSMOSWorks2007指导教程》，2007。
[3].刘云龙，《焊工技师手册》，机械工业出版社，2005.1。
[4].李星荣魏才昂等，《钢结构连接节点设计手册》，中国建筑工业出版社，2011.6。
[5].《钢结构设计规范GB50017-2003》，中国计划出版社，2010.3。
关键词SolidworksCOSMOSWorks 有限元分析 吊梁结构优化
中途分类号：B025.4 文献标识码：A文章编号：
引言
随着生产节奏的加快，工件及原材料的转运起吊越来越频繁，为提高劳动效率，加快原材料和工件的流转，工程技术人员经常需要自行设计一些符合生产要求的专用起吊用具。如何使设计的吊具得到精确计算，并保证安全的服务于生产一线，成为横亘在缺乏有限元知识的工程技术人员面前的一道难题。
Solidworks2007（以下简称SW2007）是较为常用的三维设计软件，尤其软件所嵌入的COSMOSWorks（以下简称COSMOS）模块能够进行较为精确的应力分析、应变分析、线性或非线性分析等功能。实践表明熟练掌握和使用COSMOS模块可以方便快捷的服务于生产，最大限度缩短生产所需的专用吊具设计周期，降低测试和计算成本，确保产品质量和保证安全。
吊梁结构型式
作为结构件生产厂家，现实工作中经常会使用多件吸盘起吊较长而窄的钢板或钢结构工件，下图1为针对起吊长而窄的原材料或构件的专用吊梁，主材料为工字钢I25a，材质Q345B，长度为8000mm，工字钢上翼缘焊有一块厚度为30mm的钢板作为起吊孔板，下翼缘焊有4块吸盘用小吊板（厚度为30mm）。结构如下图1所示。
实际使用时上翼缘吊板一个吊耳孔φ100为一处起吊点（以下计算均以此处起吊孔为计算吊点）；另外考虑到起吊链条长度大多3000mm，两侧跨度3000mm处加设两个起吊孔φ80，此处两孔为另一处起吊点。结构为全焊接结构，如图2，技术要求所有未注焊缝焊高12mm，所有焊缝表面磁粉检测，主材料（I25a）与吊板（吊孔φ100钢板）和吸盘用小吊板的焊缝做超声波检测，合格标准按JB4730.3-2005中I级。经检测合格后在吊梁醒目处标记最大起吊吨位。
承载分析
3.1吊梁SW2007建模
使用SW2007对吊梁进行初步建模，按图3在吊耳板处布置吊梁加强筋板。
3.2设定吊梁承载参数
如图4所示，分别为各处吊板设定承载重量。假定吊梁每个吊板承载分别为F1=F2=F3=F4，根据实际工况，设定F1=F2=F3=F4=6吨、即总计吊梁承载为F=24吨。
3.3有限元分析
选择一个算例，网格为实体网格，分析类型为静态分析。设定约束点及受力点，如图5。受力大小通过链接参数确定。
由于吊梁的结构是全焊接型式，因此设定接触型式为整体接合。对模型进行网格化，生成有限元网格，为确保分析过程合理又节省时间，需要对网格化的参数进行合理设定，过小的参数会浪费较多的分析时间，而过大的参数设定会影响分析结果的细化。如图6为网格化后的模型。
3.4查看分析结果
建立有限元模型后选择算例的“运行设计情形”项，对参数分析，可以在报告及结果中查看各项分析结果，包括吊梁的安全系数、应力分布、位移情形都可以生成最终报告。
图7所示为有限元分析应力分布结果，吊梁最大应力处位于φ100起吊孔的圆弧过渡位置和起吊梁中间的起吊位置。
根据最大 von Mises 应力必须小于材料极限应力得出：
σvon Mises＜σlimit（按材料Q345B取295MPa）
当吊梁仅承载24吨（4×6吨）时，最大σvon Mises =307MPa，大于Q345B的295MPa，所以此结构不安全，需根据应力分布图需要在应力较大处更改吊梁结构。
4结构优化
4.1优化吊梁结构
在受力吊梁中间吊点增加筋板数量增强刚度，在吊孔位置增加圆弧过渡半径尺寸（原R100增加为R160），减少应力集中，优化后的吊梁如图8所示。
4.2分析结果
对结构优化后，按照上文第3节各步骤对模型进行再次分析，网格化后分析承载测算结果，如下图9为静载分析应力分布圖。
根据最大 von Mises 应力必须小于材料极限应力得出：
σvon Mises=182MPa＜σlimit（按材料Q345B取295MPa）
根据结果当吊梁承载24吨（4×6吨）时：
σvon Mises =182MPa，小于σlimit（按材料Q345B取295MPa）；根据机械设计手册中轧钢基本安全系数为1.2～1.5，此处安全系数最小为1.4符合要求；根据《GB50017-2003》中受弯构件挠度容许值采用[l/500]（l为受弯构件的跨度，此处l=8000mm），最大位移3.6mm，可以确定挠度符合要求；由于生产中实际使用吊车负载为20吨，所以根据测算结果及实际情况，吊梁上应喷涂“实际载重≤20吨”标识。
结论
基于SolidworksCOSMOSWorks功能模块，起吊用具的受力承载的模拟分析变得较为便捷，安全性能趋于合理。而COSMOSWorks模块具有强大的模拟测算功能，熟悉并掌握这些功能将极大的提升我们的设计能力和工艺水平。如将吊梁部分尺寸进行系列化设计，通过尺寸驱动模型包括长度，截面，起吊重量等，可以设计出更加符合生产要求的吊梁。
参考文献
[1].成大先.机械设计手册（第四卷），化学工业出版社，2008.4。
[2].《SolidworksCOSMOSWorks2007指导教程》，2007。
[3].刘云龙，《焊工技师手册》，机械工业出版社，2005.1。
[4].李星荣魏才昂等，《钢结构连接节点设计手册》，中国建筑工业出版社，2011.6。
[5].《钢结构设计规范GB50017-2003》，中国计划出版社，2010.3。