SINO大型磨机运输施工力学模拟研究*
朱钰锋”，郝际平，沈登龙'，郑江，田黎敏'，王宇”，李宁²，魏尚起²
（1.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安710055；2.中国二十冶集团有限公司，上海201900）
【摘要】SINO大型磨机建设采用国内组装、海洋运输至国外的方法实现.大型磨机具有体积及质量巨大的特点，其建造过程中的内力和变形变化复杂.为保证结构安全，运用通用有限元教件对磨机运输过程中受力状态进行力学模拟，并对实际工程进行监控修正.研究表明：自磨机模块运输过程中设计的辅助结构合理，安全措施得当.
[关键词]建筑机械：大型磨机；运输模拟；施工力学：支护结构
[中图分类号】TU758.11[文献标识码】A[文章编号】1002-8498（2015）12-0135-04
Transporting Construction Mechanics Simulation ofSINO Large Mills
Zhu Yufeng' Hao Jiping' Shen Denglong' Zheng Jiang' Tian Limin’ Wang Yu² Li Ning² Wei Shangqi*(1. Sehool of Cisil Enginering Xi² an Uniserity of Architeture and Technolgy Xi² an Sheanxi710055 Chine;2. Chine MCC20 Group Co. Lad. Shanghai 201900 China)
Abstract ; The construction about mill modules of SINO is realized by the intermal assemblage and extermal sss aqeu pe d seq ss pue a nq jo ssd uodu deformation. In order to make the structure secure finite analysis software was utilized to simulate themechanism condition during the mill transportation and to monitor the actual project. Researches show thatthe design of assistance structure and the security measures in the process of mill transport srereasonable.
Key words; construction equipment; large mill;transportation simulation;mechanics;supports
工条件可控和综合成本低的特点，逐渐进人人们的地对运输过程进行模拟.为重要.运输过程中进行力学模拟属于施工力学范畴，不但能够设计运输需要的输助结构，还能够时时监测运输过程，做到动态修正，保证施工过 程安全高效地完成.运输过程中结构的受力分析及设计目前没有一个较为全面的有针对性的设计方法及参考规范，为简化计算，参照《钢结构设计规照静力方式模拟施工过程.基于中冶承建的西澳 范）CB50017-2003”规定，采用动力系数的方式按SINO铁矿项目，针对自磨机模块的运输过程受力变
视野.但在模块组装及运输过程中，受力条件复杂1项目概况
多变的环境及各种可能出现的受力状况就显得尤1.1自磨机模块组成
自磨机模块是西澳SINO铁矿项目的主体设备之一，其体积和质量相对其他模块较大，剖面尺寸如图1所示.自磨机筒身外径约为17720mm，壁厚 均值为80mm，由进（出）料筒、端盖、端简体和中段简体组成，各部具体参数如表1所示.端简及中段筒体由2个半环简体通过端部法兰-螺栓连接，筒间通过筒边法兰-螺栓的形式连接.
自磨机运输过程主要分为陆地运输（见图2e）和海洋运输（见图2f）两部分，陆地运输根据受力状况的差异还可分为装载前组装和平板车运输2个施 工环节.根据半筒壁受力状况的差异，将运输前组装分为如图2a所示的半筒壁仰向水平吊装，如图2b所示的半筒壁仰向45°吊装，如图2c所示的半简壁俯向45*吊装和如图2d所示的半简壁俯向水
接.根据有限元分析，得到图3所示结构应力图，经计算最大应力点出现在吊装点边缘的法兰盘上，最大应力为14.2MPa.
图1自磨机剂面Fig. 1 Profile of the mill
表1磨机部件参数
部件名称 Table 1 Parameters of mill ponents 外径 长度 厚 mm进（出）料筒 4 300 2 000 400端筒体 瑞盖 009 ≤1~ 00 E 12 500 1600 4 533 400 ~200 80中段筒体 12 400 4534 80
平吊装.考虑到力学模拟主要是验证模块整体的稳定及支撑支护问题，所以不考虑局部螺栓对整体模型为绑定（Tie），其余边界为了使设计包含一 结构及支护结构的影响.法兰-螺栓连接紧密，假定定富余，假定为接，按图2所示的施工步骤建立相应的数值模拟模型.
图3运输前吊装分析结果
Fig.3Results of liting analysis before the transportation
最大变形点位移为4.52mm.综合分析运输前吊顺利进行，应力及位移均满足设计要求.
分析以上4个受力工况，筒体变形较小，步骤2装，索扣扣在半筒边缘法兰盘上进行吊装施工能够
2运输前吊装模拟分析
3陆地运输模拟分析
运输前吊装模拟分析以半个筒壁为研究对象，根据图2所示的分解步骤对运输前组装步骤分别建立有限元模型，按照1.5g重力加速度进行相应的吊装分析.吊装缆绳通过索扣扣在法兰盘上，以半环简壁的两端为吊装点进行吊装，模型边界假定为较
3.1鞍座及分载梁设计
为保证筒体的整体稳定性，在运输前先设计好支持筒体的鞍座.鞍座顶表面内径与筒体外径一致，使筒体与鞍座能够完全吻合，防止筒体表面出
图2磨机运输过程分解
Fig. 2 Deposing of transporting process of mill
部最大变形为1.111mm，筒体在陆地运输过程中始终处于弹性变形状态.鞍座最大应力位置在鞍座的中部下边缘，最大应力为6.303MPa，鞍座外边缘方出现应力集中现象，最大应力为76.49MPa，下凹 下部位移为8.063mm.分载梁在与鞍座接触的地最大变形为2.731mm.经数值模拟分析，设计的陆地运输辅助结构能满足受力及位移要求，在陆地运输过程中自磨机模块处于弹性变形状态.
现应力集中现象.2个半筒组成1个简体部件，每个简体部件下布置2个对应鞍座.鞍座间用槽钢相连，使各鞍座连成一个整体.
SCHEUERLE系列或德国COLDHOFERTHP系列重 运输工具采用中外运提供的重载车型：德国型组合式全挂液压平板车组.为适应这种平板车的陆地运输，需设计分载梁，鞍座受力传递给分载梁，再通过分载梁均匀传递荷载给平板车车组.具体的分载梁尺寸如图4所示.
4海洋运输模拟分析
4.1钢管竖筒设计
紧接陆地运输进行海洋运输，由于自磨机模块体积巨大，传统的集装箱式运输模式无法满足海洋运输要求，所以需要设计相应的结构辅助海洋运 输.沿用陆地运输的鞍座设计，在进出料口增加2个较小的鞍座，以此增加整体的稳定性.运输船只甲板由于要安放设备等原因并不是平坦的，分载梁无法直接水平固定在甲板上，根据现场环境设计钢 管竖筒支撑鞍座.每个竖筒由6根钢管组合面成，端部及1/4处用钢板把钢管连接成整体，每个鞍座下放置4个竖筒.
图4分载梁设计尺寸
Fig. 4 Design dimemsion of the partial load beam
3.2陆地运输模拟及分析
4.2海洋运输模拟及分析
分载梁与平板车组接触紧密，不会发生相对位移，假定模型分载梁底为较接，其余为绑定（Tie）接 触.整个模型施加1.5g重力荷载模拟运输过程中的动力荷载，整体应力云图如图5a所示，中筒、中间鞍座及分载梁应力云图分别如图5b，5c和5d所示（变形放大系数为2000）.
肋，有限元模型边界假定为固接，按照实际尺寸建 竖筒底钢板与甲板焊接，周边附加柱脚加劲立有限元模型如图6所示.大型钢结构模块海洋运输过程中受力复杂，随时间变异较大，按照全程动力模拟难以实现，需要采用静力分析的方法简化计 算.参照《海上高速船入级与建造规范》规定，分别用3g加速度按垂向及45°垂向夹角作用的分析模块模拟在海洋运输过程中的受力.文献[1]对几种分析方式进行了探讨，经分析采用上述静载方式 模拟海洋运输受力分析能够较合理且含有一定的富余.
图6海洋运输分析结果Fig. 6 Results of the sea transporting analysis
图5陆地运输分析结果Fig.5 Results of the land transporting analysis
在垂向45°方向3g作用下，模拟船体在海洋波浪作用下产生的横摆，结构应力较大，稍微超过Q345钢的屈服极限，位移也较大.最大位移为自磨 机筒的最边缘点，最大应力为竖筒底端边缘.为增
分析结果表明，陆地运输过程中，自磨机模块自身应力较小，最大值为8.242MPa，最大应力位置在筒体与鞍座接触的最上边缘.整体变形较小，顶
大结构的侧向刚度，需要设计相应的侧向支撑.表2所示为荷载施加及计算特征值.
设计假定的绑扎接触.采用同陆地运输一样的措施，在筒体外边缘增设索扣，通过钢索连接甲板与筒体，在预紧力作用下简体与鞍座即使在超重状况施工方案能够保证运输安全. 下依然紧密相连.无需修正原数值模型，按照现有
表2荷载施加及计算特征值
Table 2 Loading and calculating characteristic values
加速度取值/（ms²） 直3g 30 垂向45°方向3g 30总位移最大值/mm 加速度方向示意 1.23 17.553Mises应力/MPa 74 345
6施工建议及措施
根据现场施工环境及数值模拟分析提出以下施工建议及具体措施：①运输前吊装应保证索扣紧锁而且每根索长一样，起吊过程应平缓进行，防止 过大晃动.应配备一定的安全索，吊装前应检查每根钢索完整性，确认是否存在断丝等情况.②陆地运输前及运输过程中应检查每根轮轴轮子的胎压，保证轮子胎压一致，以此保证整个模型的平 稳.③陆地运输及海洋运输还应跟踪检查侧向钢索的松紧度，确保钢索预拉力符合设计要求，保证钢索能够提供足够的侧向约束.④在其他较为极端的干扰情况下，如大风、雨、雪等情况下应采取适止运输过程中急起急停等. 当的防护措施，如停止吊装施工，减缓运输速度，禁
为使结构具有较大的侧向刚度，在鞍座侧边设计钢管刚性斜撑，斜撑一端与鞍座通过螺栓连接，另一端与甲板相连.调整数值模型重新计算，在垂 向45°方向3g作用下侧移明显减小，竖筒边缘最大应力也相应减小，增加斜撑后结构的位移及应力均满足设计要求.
5施工过程监测及修正分析
在施工过程中需要实时动态观测，根据观测结果修 由于数值模型与实际施工过程存在差异，所以正数值计算模型.采用修正后更适合施工现场环境的模型结果指导现场施工，数值计算跟踪施工现场.
7结语
通过大型自磨机的运输过程模拟，基于通用有限元分析平台，设计了相应的施工辅助结构及措 施.科学的力学模拟分析，合理的施工方案制定，确保了西澳SINO铁矿项目自磨机模块按照模块化建造方式顺利实现.
吊装现场索扣扣在半简两端，无法实现理想的两端相同的较接情况，会出现一边索相对另一边细紧的情况，较松的索只能起到调节方向的作用.根据，对原计算模型边界条件进行修改， 细紧索端按照原来不变的铰接，另一边只在水平方向提供约束.修改后数值模型分析结果表明，按照实际吊装过程的边界条件，自磨机简体应力及变形仍处于弹性变形状态，按照原设计施工方案施工是可行的.
参考文献：
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关于陆地运输设计的简化是分载梁与平板车完全贴合，数值模型简化的边界条件是铰接.施工现场由于平板车平整度并不大，并不能够提供特点，设计柔性的拉索连接鞍座、简体和平板车轮 足够的侧向位移约束.根据平板车有较多轮轴的轴，通过施加预拉力固定鞍座与筒体，以此提供足够的侧向约束.增加柔性拉索后原数值模型边界证简化边界的实现，现有陆地运输方案可行. 条件没有变化，所以按照原设计模型，增加拉索保
海洋运输过程中按照原设计现场安装定位，增加了侧向刚性支撑，能够增大结构的侧向刚度，但是在海洋运输过程中在波浪的作用下，可能存在失重现象即鞍座可能与简体发生相对位移.根据现 场条件，需要增加鞍座与筒体的约束才能满足
