兩噸甲板起重機吊臂變形分析

段鐵群 王全福 高希雪

摘 要：根據(jù)起重機的實際工作狀況，運用相關(guān)力學(xué)原理對起重機處于兩種不同的工作狀態(tài)時進行吊臂撓曲變形的理論推導(dǎo)，并用Solidworks建模，ANSYS做有限元分析進行變形趨勢的分析，最后得到在起重機吊臂達到屈服前，兩種極限工況下起重機吊臂變形與起升質(zhì)量成線性關(guān)系的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：甲板起重機；撓曲變形；有限元分析

引言

折疊臂式甲板起重機的吊臂、油缸的受力分析，吊臂端部在某種特定載荷下的下沉量已有前人研究過[1-3]。吊臂產(chǎn)生過大的變形，將會導(dǎo)致起重機失穩(wěn)，嚴(yán)重影響起重機正常使用。

1 工作原理與工況

1.1工作原理。起重機的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。起重機固定在船甲板上，起吊重物時，重物懸掛在伸縮臂二4端部的吊鉤上，在液壓油缸作用下，折疊臂1和基本臂2實現(xiàn)升起，然后通過起重機的回轉(zhuǎn)，將重物移動到合適位置后，將重物放下，完成作業(yè)。

1.2 工況。本文研究伸縮臂處于完全伸出和完全縮回兩種極限工況：當(dāng)伸縮臂全部縮回時為工況一，額定起重量為2噸；當(dāng)伸縮臂完全伸出時為工況二，額定起重量為500kg。

2 起重機外載荷計算

起重機所外受載荷包括三部分：外界動載荷（風(fēng)載荷忽略不計）、起吊重量、慣性載荷。船舶因波浪影響產(chǎn)生的運動可簡化為正弦擾動，用Y=Hsin（ωt+θ）表示，起重機起吊重物時受力簡圖如圖2所示。

3 吊臂變形理論計算

3.1 工況一吊臂變形。吊臂EG受力分析如圖3所示，邊界條件為：在E、F點變形為零，F(xiàn)點變形的一階導(dǎo)數(shù)為零。

根據(jù)材料力學(xué)相關(guān)知識可得吊臂G點在y方向變形方程為

吊臂BE的受力分析如圖4所示，邊界條件為B、C、D點變形為零，C、D兩點變形的一階導(dǎo)數(shù)為零。

3.2 工況二吊臂變形。起重機受力分析如圖5所示，其中EG段為基本臂，GH段為伸縮臂一，HJ段為伸縮臂二。將兩節(jié)伸縮臂視為一個變截面懸伸梁，求其受載荷后，點J的變形量。

由式（4）和（6）可知，在變幅角度一定時，吊臂變形只與起重量以及外界動載荷以及起升加速度有關(guān)。加速度與變幅角度恒定的情況下，吊臂變形與起重機載荷呈線性關(guān)系。起重量、變幅角度相同時，變形與加速度成線性關(guān)系與正弦關(guān)系的疊加。

4 建模與有限元分析

4.1 建模。根據(jù)設(shè)計方案，用Solidworks軟件建立起重機的各個零件模型，裝配完成后保存文件并導(dǎo)出為IGS格式文件。

4.2 有限元分析。將起重機的IGS文件導(dǎo)入；材料選用結(jié)構(gòu)鋼，屈服強度定義為700MPa，彈性模量210GPa，泊松比0.3；各接觸面定義為bonded，網(wǎng)格劃分采用中等精度劃分；載荷視為點載荷，施加于吊鉤內(nèi)表面的中心上；最后選定分析項，選擇求解器求解。

4.3 應(yīng)力分析結(jié)果。工況一中起重量為額定起重量時吊臂最大應(yīng)力為631.51MPa。

4.4 吊臂變形分析結(jié)果。工況一中額定起重量時吊臂變形分析結(jié)果如圖6所示。立柱處變形值最小，離立柱越遠(yuǎn)，值越大，最大值為70.017mm ，吊臂達到屈服狀態(tài)時吊臂的最大變形為77.634mm。

同樣可分析得到工況二額定起重量最大變形為124.67mm。 吊臂達到屈服狀態(tài)時吊臂的最大變形為167.2mm。

5 結(jié)果與分析

將工況一φ=0°時各不同起重量經(jīng)有限元分析得到的變形結(jié)果進行擬合，擬合結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，起重量在所取范圍內(nèi)，變幅角度和臂長不變時，吊臂變形與起重量呈線性關(guān)系，與前面的理論推導(dǎo)相吻合，工況二分析與工況一類似，在此不再贅述。

工況一、工況二中額定起重量時吊臂變形分別為70.017mm、124.67mm，都在線性范圍內(nèi)，此時吊臂處于彈性變形階段，卸載后吊臂可恢復(fù)原形，因此，起重機工作時一直處于彈性變形范圍內(nèi)，不會出現(xiàn)塑性變形，起重機工作可靠，該起重機設(shè)計合理。

6 結(jié)束語

本文通過對該起重機在吊臂水平并且伸縮臂不伸出和全部伸出的兩種工況進行了吊臂變形的理論計算，得出了兩種工況下變幅角度恒定的條件下，起重量與吊臂變形成線性關(guān)系的結(jié)論，驗證了起重機設(shè)計的合理性。

參考文獻

[1]王樂有，王進強，才冬濤.基于ADAMS的折臂式隨車起重機受力計算[J].起重運輸機械，2011，07：33-34

[2]龔蘇生，徐長生，張成鳳.基于VB的折臂式船用甲板起重機變幅計算系統(tǒng)[J].重型機械，2009：46-49.

[3]程茂林，徐長生.基于有限元分析法的折臂式船用甲板起重機垂直設(shè)計系數(shù)計算[J].武漢：船海工程，2010：140-145.