*本文投稿自汽车行业用户范会超
工程背景
焊接吊装设备作为物料搬运领域的重要设备，其结构可靠性直接关系到生产安全与作业效率。对于中小型门式吊装设备，钢焊接结构因强度高、成本可控、适配性强等优势成为首选方案。该类设备广泛应用于车间物料转运、小型仓库装卸等场景，虽尺寸与载荷规模相对较小，但复杂的焊接节点、局部应力集中及多工况性能要求，给传统的结构设计方法带来诸多挑战，容易导致设备风险评估不足或过度冗余设计。
Simsolid 作为无需网格划分的创新仿真分析软件，以其易用性强、求解高效的特点，在该类结构设计中发挥的作用越来越大，为工程师提供了准确且高效的辅助设计工具。
吊装设备介绍
下面以某款车间使用的小型吊装设备为例，说明Simsolid 在结构设计中开展结构局部加强和焊道优化的应用。下图1.1为设备组装后的图片，图1.2为吊装骨架主体的结构分析图。
图1.1 吊装设备组装图
图1.2 结构分析图
主要内容
3.1 模型设置
① 几何导入：将三维数模导入 Simsolid，操作路径：在主菜单栏中依次选择project→import from file →design.stp，其中design.stp为三维数模文件。几何导入后如下图2所示。导入后无需做几何清理及抽取中面处理，保持几何原始实体状态即可。
图2 三维整体结构及局部细节图
②材料定义：在模型结构树激活Assembly，定义材料为1040钢，如下图3。
图3 材料定义过程
3.2 连接设置
①螺栓连接：几何模型导入软件时，自动连接搜索的容差参数gap设置为0.5mm，穿透设置为1mm，螺栓组件被自动识别并定义，如图4.1所示，若特殊情况下存在识别问题，可鼠标右键点击零件，手动设置零件类型。螺栓与相邻零件的接触关系也被自动定义，过程非常高效。如下图4.2所示单个螺栓与周边零件的接触关系。
图4.1 螺栓连接组定义
图4.2 螺栓接触定义
②焊缝连接：在模型结构树激活connections，在右侧选择create new seam welds，依次定义焊缝尺寸和选择需要焊接的零部件，软件自动识别并创建焊缝，如图5.1所示，自动创建的绿色焊缝。若选择所有焊接零部件，自动查找并定义焊缝（如果想取消某条软件自动查找的焊缝，只需单击该焊缝，即可删除该焊缝），如图5.2所示，该设备结构共定义82条焊道。
图5.1 焊缝定义及局部图
图5.2 焊缝总数统计及其焊接总成图（绿色代表焊缝）
3.3 工况设置
模态性能与强度要求是吊装结构设计的核心指标，直接影响设备运行稳定性与使用寿命。因此，结构首阶固有频率需避开起升及运行机构的激励频率，避免共振问题发生；同时，结构在吊载重物过程中要满足强度要求。
1、模态分析：在主菜单栏中依次选择Analysis→Modal，创建模态分析工况，并在结构树中双击setup：number of modes，设置计算前5阶模态。
图6模态分析设置
2、强度分析：①在主菜单栏中依次选择Analysis→structural→structural linear，创建强度分析工况，并在结构树中双击solutions setting：custom，设置计算参数，为提升计算精度，勾选adapt to feature 和 adapt to thin solid，具体如下图7所示。
图7 强度工况设置
② 边界条件，约束地脚螺栓。强度校核场景1，运行机构在设备中间位置，施加垂向载荷12000N, 侧向载荷2000N；强度校核场景2，吊运机构运行到设备两侧的边缘位置，施加载荷12000N, 侧向载荷2000N。如下图8所示：
图8.1 强度场景1
图8.2 强度场景2
3.4 求解计算
上述工况设置完成后，点击结构树中的Design study1，点击右侧出现的求解按钮Run all analyses，软件开始计算所有工况，如下图9所示。
图9 提交求解计算
3.5 结果分析
大约求解10分钟，计算结束后查看每个工况下的结果，分析如下。
① 模态结果：软件输出的模态振型图清晰呈现结构振动特性，如图10所示。首阶模态13.4Hz，表现为对称的主梁竖向弯曲振型，支腿基本无参与振动，振型动画显示最大位移点位于主梁跨中；二阶模态16.0Hz，为支腿侧向摆动振型。模态均避开了设备工作激励频率区间，满足模态安全性要求。
图10.1 一阶振型
图10.2 二阶振型
②强度结果：局部加强设计是钢结构设计中应对应力集中的核心环节，在保证强度的同时避免结构冗余。该设备的主梁采用 H 型截面，最大程度的发挥材料的使用价值，两端适当的加强筋设计，大大降低了横梁与立柱搭接的应力集中，加强筋的作用对比如下图11所示：
图11.1 无加强筋应力云图
图11.2 优化后应力云图
软件生成的应力云图为局部加强提供了直观依据，未加强状态下，横梁与立柱搭接处呈现明显的红色高应力区，最大应力达 320MPa，超出AISI1040钢许用应力 234MPa；经加强板优化后，应力云图中红色区域完全消失，最大应力点转移至加强板边缘，呈现均匀的绿 - 黄色过渡，应力值降至155MPa。
焊缝优化：通过软件参数化的焊缝建模功能，可高效实现焊缝连接的风险评估与改进。例如本案例中底座横梁与加强筋的焊道尺寸优化，角焊缝焊脚高度由原设计的5mm调整至7mm，整个迭代过程仅需十几分钟，而优化效果十分明显，焊道由大面积的高应力红色降到低应力的浅黄色，大大降低了焊道的失效风险。
图12.1 原焊缝应力云图
图12.2 优化后焊缝应力云图
项目总结
Simsolid 在30分钟内完成了吊装结构设计的模态分析与强度工况分析；额外20分钟内，完成了有无加强筋的方案性能对比；特别地，额外15分钟内，分析得出焊道尺寸由5mm变更到7mm时，模型局部失效风险降低。综上所述，Simsolid 在吊装结构设计中展现出显著的应用优势，可在1小时内，完成吊装结构性能的初始验证、2轮新设计迭代。其无需网格划分的特性、高效的求解能力与简洁的操作流程，结合可视化的应力云图、模态振型呈现，不仅能准确完成模态分析与强度校核等核心工作，更能通过快速迭代分析实现结构优化。随着工程机械行业对设计效率与质量要求的不断提升，Simsolid 有望在更多类型的吊装结构设计中得到广泛应用。
