某船用回轉(zhuǎn)式起重機(jī)臂架應(yīng)力與穩(wěn)定性分析

文 攀

(華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，武漢430074)

起重機(jī)臂架系統(tǒng)作為起重機(jī)主要的承載部件，其剛度、強(qiáng)度直接關(guān)系到起重機(jī)的安全及性能［1］。本文利用大型有限元軟件Ansys，通過(guò)有限單元法，獲得該回轉(zhuǎn)起重機(jī)臂架在各種工況下的應(yīng)力分布及失穩(wěn)情況，并按照中國(guó)船級(jí)社《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)范》)進(jìn)行強(qiáng)度與穩(wěn)定性校核［2］，為該起重機(jī)臂架的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參考，達(dá)到既滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求又降低成本的目的。

1 計(jì)算模型

1.1 結(jié)構(gòu)形式及有限元模型

臂架放置在船舶甲板的塔架上，不工作時(shí)，臂架是擱置在甲板上的，臂架工作時(shí)，除了可以變幅以外，還可以繞塔架360°旋轉(zhuǎn)工作。該臂架總長(zhǎng)達(dá)到108 m，高4 m，最寬處9 m，最窄處3 m。起重機(jī)臂架主要用鋼管焊接成的空間桿結(jié)構(gòu)，桿之間交叉布置有腹桿。通過(guò)初步計(jì)算可知，在主鉤，副鉤及小鉤附近的應(yīng)力最大，為了更加準(zhǔn)確地計(jì)算此處的應(yīng)力，吊鉤附近的桿結(jié)構(gòu)和板結(jié)構(gòu)采用殼單元shell181單元，其余的桿結(jié)構(gòu)采用beam188單元。取右手直角坐標(biāo)系，沿船長(zhǎng)方向?yàn)閤方向，沿船寬方向?yàn)閥方向，垂直于水面向上為z方向，原點(diǎn)在臂架與塔架連接的鉸接結(jié)構(gòu)的中心處。見(jiàn)圖1、2。

圖1 船用回轉(zhuǎn)起重機(jī)布置示意

圖2 臂架整體有限元模型

1.2 計(jì)算工況及邊界條件

1.2.1 計(jì)算工況根據(jù)起重機(jī)的設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合《規(guī)范》給出需要校核的工況，見(jiàn)表1。

1.2.2 邊界條件

①底部約束:臂架底部軸孔的內(nèi)表面加了徑向及軸向的約束，見(jiàn)圖3。②頂部板架處起升繩端部約束:頂部的起升繩采用link180單元模擬，端部節(jié)點(diǎn)約束所有自由度，見(jiàn)圖4。

表1 臂架系統(tǒng)工作工況

圖3 底部約束

圖4 頂部板架起升繩端部約束

1.2.3 載荷

1)臂架自重。臂架的自重通過(guò)施加慣性加速度來(lái)加載。

2)拉繩的拉力。由于整個(gè)結(jié)構(gòu)是超靜定結(jié)構(gòu)，為了求解的需要，將部分拉繩簡(jiǎn)化為力。當(dāng)主鉤及小鉤加載重物時(shí)，中部副鉤板架處有2倍俯仰繩拉力;當(dāng)副鉤加載重物時(shí)，繩上有4倍的起升繩拉力和2倍的俯仰繩拉力，各工況下繩上的拉力見(jiàn)表2。

3)船舶運(yùn)動(dòng)引起的載荷。根據(jù)《規(guī)范》3.2.11.1給出的船舶運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的加速度，由船舶運(yùn)動(dòng)作用在臂架上的載荷通過(guò)施加慣性加速度的方式來(lái)加載。

4)風(fēng)載。按照《規(guī)范》要求計(jì)算臂架上的風(fēng)載，根據(jù)規(guī)范計(jì)算得到側(cè)吹時(shí)風(fēng)載為195.5 kN，正吹時(shí)風(fēng)載為138.5 kN。

表2 各工況下繩上的拉力 kN

2 計(jì)算及強(qiáng)度校核

2.1 屈服強(qiáng)度校核

臂架由板材和管材建造，由于板材和管材的材料特性不同，所以要分別考慮上面的Mises應(yīng)力分布和大小。圖5～10為不同工況下應(yīng)力最大位置附近應(yīng)力分布云圖。

圖5 工況1應(yīng)力最大位置附近應(yīng)力分布

圖6 工況2應(yīng)力最大位置附近應(yīng)力分布

圖7 工況3應(yīng)力最大位置附近應(yīng)力分布

圖8 工況4應(yīng)力最大位置附近應(yīng)力分布

圖9 工況5應(yīng)力最大位置附近應(yīng)力分布

圖10 工況6應(yīng)力最大位置附近應(yīng)力分布

臂架工作狀態(tài)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 臂架工作狀態(tài)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果 MPa

從圖5～10可以看出，最大的應(yīng)力大都集中在副鉤和主鉤與主桿的連接處，一方面是由于臂架截面積的突變導(dǎo)致的應(yīng)力集中，另一方面可能是由于模型的簡(jiǎn)化產(chǎn)生誤差。為了減小副鉤附近主桿上的應(yīng)力，桿結(jié)構(gòu)局部加厚，所以從圖5a)和圖10a)中可以發(fā)現(xiàn)副鉤附近主桿的應(yīng)力明顯地減小，從圖5、圖6、圖9和圖10中可以看出主鉤和小鉤承載重物時(shí)，應(yīng)力分布比較接近，這是由于所吊重物的位置比較接近，小鉤所吊重物重量較小，工況5和工況6的應(yīng)力較工況1和工況2要小。

根據(jù)《規(guī)范》中3.2.16的校核公式，管材的屈服強(qiáng)度為桿上最大Mises應(yīng)力253.9 MPa，小于1.1［σ桿］(308 MPa)，板上最大Mises應(yīng)力161.8 MPa，小于1.1［σ板］(194.04 MPa)，強(qiáng)度滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2.2 屈曲強(qiáng)度校核

臂架相當(dāng)于一個(gè)細(xì)長(zhǎng)梁，特別是在吊重最大為250 t時(shí)，臂架的轉(zhuǎn)幅最大，臂架軸向的壓應(yīng)力很大，容易產(chǎn)生失穩(wěn)，所以有必要校核臂架的穩(wěn)定性。本文采用特征值屈曲分析方法對(duì)臂架的整體穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)臂架穩(wěn)定性進(jìn)行校核。將臂架看做一個(gè)細(xì)長(zhǎng)梁，底部只允許臂架有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，頂部在主鉤處只允許有沿臂架方向的自由度，在頂部主鉤處重物重量和頂部拉繩處的拉力，將該處的力沿著臂架軸向進(jìn)行分解，并平均施加在其上的節(jié)點(diǎn)上，其余部分載荷均按照各工況的實(shí)際情況加載。通過(guò)屈曲分析可得到6種工況下的安全系數(shù)分別為5.1、5.6、6.5、5.8、6.6、8.6。

由以上結(jié)果可知，各種工況下，臂架的穩(wěn)定性符合規(guī)范的要求，并且安全系數(shù)均有較大的儲(chǔ)備。

3 結(jié)論

計(jì)算驗(yàn)證了臂架的屈服和屈曲強(qiáng)度都能滿(mǎn)足《規(guī)范》的要求，說(shuō)明該臂架的設(shè)計(jì)是可行的。

本文對(duì)臂架強(qiáng)度和穩(wěn)定性校核方面做了一些工作，但是仍有不少問(wèn)題需要進(jìn)一步研究探討，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

l)臂架模型的簡(jiǎn)化還存在一定的問(wèn)題，特別是桿與板架的連接處的簡(jiǎn)化，這些位置的板上往往出現(xiàn)應(yīng)力集中，不能準(zhǔn)確地反應(yīng)映力大小，如果詳細(xì)建模，又會(huì)增大工作量，計(jì)算成本增加，因此，要找到一些更加合理的簡(jiǎn)化方法去模擬連接處的模型。

2)海洋環(huán)境很惡劣，船體的晃動(dòng)會(huì)使臂架產(chǎn)生很大動(dòng)載荷，本文對(duì)臂架的計(jì)算都是基于靜力分析，沒(méi)有考慮動(dòng)載荷的影響，雖然依據(jù)規(guī)范加入了動(dòng)力的修正系數(shù)，但計(jì)算結(jié)果并不一定能反映實(shí)際情況，如果用動(dòng)力學(xué)分析方法，又會(huì)在很大的程度上增加計(jì)算成本，如何既準(zhǔn)確又經(jīng)濟(jì)地計(jì)算這種大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，還有待進(jìn)一步的研究。

［1］陳 峰.80 t履帶式起重機(jī)臂架的有限元分析［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2009.

［2］中國(guó)船級(jí)社.船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2007.