李文锋 冯小保 张建辉 陆鹏鹏 曹 栋
南通润邦重机有限公司技术中心
摘 要：在桁架结构的拉杆中，多采用圆管插板的结构形式，通过Workbench建立拉杆模型，进行应力计算后发现，圆管位于插板端部的区域应力集中严重，据此提出了在原有拉杆结构基础上增加2个套环的新优化方案。经建模计算得出，结构应力和变形量均显著降低，可有效保障结构的安全。
关键词：圆管； 插板； 应力集中；Workbench
圆管与插板连接在港机结构中应用广泛，对于港口机械桁架结构中的拉杆，其端部必须用插板，由于拉杆的拉力很大，插板端部应力通常很高。目前主要有2种优化方式降低拉杆应力：一是在拉板端部圆管上开一个卸应力孔，半径约为插板厚度的2倍；二是增加插入深度，但拉杆对焊缝要求较高，一般要求全熔透和UT探伤，增加深度会导致成本增加，因此本文对该方法不做研究。本文采用Workbench对几种拉杆结构优化方式进行计算对比，并提出新的优化方式。
计算模型见图1。
图1 三维模型
其中A为基本形式，B开设卸应力孔，C在A基础上增加套环，D在B基础上增加套环，C、D为笔者提出的新优化形式。4种形式基本外形尺寸均相同(见图2),计算模型的相关参数和载荷见表1。
图2 端部基本尺寸
表1 模型参数及计算载荷
圆管外径/mm710端部切斜/(°)90插入深度/mm1000圆管壁厚/mm10端部封板/mm10轴孔直径/mm300重磅圈厚度/mm35套环宽度/mm100插板厚度/mm30卸应力孔半径/mm60套环厚度/mm20圆管长度/mm4000小孔封板厚度/mm10套环间距/mm320拉力/kN2000小孔封板直径/mm240
注：套环关于插板端面对称布置，材料均为Q345B，安全系数1.5，许用应力230 MPa
3.1 方案A、B的计算对比
方案A、B的计算结果见图3，其中方案A 的最大应力为295 MPa，颈缩1.44 mm;方案B的最大应力为291 Pa，颈缩1.39 mm。方案B的应力和变形改善很小，且应力集中区域更大，这会导致疲劳概率增加，对结构安全构成巨大威胁。
图3 方案A、B的计算结果
3.2 分析、优化及再计算
图3所示的变形放大了100倍，圆管的截面被拉成椭圆形，表明圆管沿插板平面的刚度大于垂直于插板平面的刚度，这是因为插板对圆管起到了支撑作用。如果改变局部结构使2个方向的刚度差别减小，变形后轮廓将更接近圆形，应力集中将减轻。
基于以上分析，在插板端部两侧各设计1个套环，即方案C和D，对改进后的模型进行重新计算，应力见图4。方案C的最大应力为244 MPa，颈缩0.43 mm；方案D的最大应力为229 MPa，颈缩0.42 mm。对比可知，相同拉力下方案D的应力和变形均较小，应力集中改善最明显。
图4 方案C、D的计算结果
应力集中通常是由于结构中存在突变，对于所研究的拉杆，插板造成管壁突变，圆管2个方向刚度差别较大，通过增加套环提高管壁2个方向的刚度，使变形均匀，特别是方案D，最大应力降低了60 MPa左右，颈缩减小了近65%。增加套环对侧类结构降低应力集中效果明显，可推荐使用。对于大直径圆管,套环可以加在内侧，使结构更美观。
参 考 文 献：
[1] 中国船级社.海上移动平台入级与建造规范(2012)[S].北京:人民交通出版社,2012.
李文锋： 226013，江苏南通船舶配套工业园区(陈桥)荣盛路88号
Optimization of Stress Concentration in Tie Rod Based on Workbench
Li Wenfeng Feng Xiaobao Zhang Jianhui Lu Pengpeng Cao Dong
Nantong Rainbow Heavy Machineries Co., Ltd.
Abstract：In the truss, the tie rod usually presents in form of circular pipe flashboard structure. The tie rod model was established by using the workbench. Through the stress calculation, it was found that the concentrated stress of the pipe that located at the end of the flashboard was serious. Then two lantern rings were added based on the original tie rod structure. Through calculation of the new structure scheme, the structural stress and deformation were significantly reduced, which has ensured the safety of the structure.
Key words：tube; flashboard; stress concentration; workbench
收稿日期：2017-02-16
DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2017.03.007
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