船用吊艇架的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造及仿真

季 建, 錢興達(dá), 徐 嬌, 劉志強(qiáng), 徐穎俊

(1.浙江省海洋開發(fā)研究院， 浙江 舟山 316000; 2. 江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003；3.上海船舶工藝研究所 舟山船舶工程研究中心， 浙江 舟山 316000)

船用吊艇架的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造及仿真

季 建1, 錢興達(dá)2, 徐 嬌3, 劉志強(qiáng)2, 徐穎俊1

(1.浙江省海洋開發(fā)研究院， 浙江 舟山 316000; 2. 江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003；3.上海船舶工藝研究所 舟山船舶工程研究中心， 浙江 舟山 316000)

在充分掌握國內(nèi)船用吊艇架生產(chǎn)實(shí)際的基礎(chǔ)上，提出吊艇架的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造思想，運(yùn)用Pro/E軟件對吊艇架進(jìn)行仿真分析，計(jì)算出吊臂在最危工況狀態(tài)下吊臂的最危截面，分析整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中轉(zhuǎn)軸處的受力狀態(tài)，能夠有效地仿真模擬吊艇架的真實(shí)情況與受力，大幅減少吊艇架設(shè)計(jì)時(shí)間和制造成本。

吊艇架； 最危截面； 數(shù)字化設(shè)計(jì)；仿真

0 引 言

救生設(shè)備是船舶法定安全設(shè)備，而吊艇架是船上用以起卸救生艇或工作艇的專用裝置，一般位于船甲板的兩邊，用以將艇吊起或放下，是船舶救生設(shè)備的重要組成部分[1]。本文對C7.0封閉式救生艇的重力倒臂式吊艇架進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)，確定吊艇架的組成部件及受力，計(jì)算出吊架的主體尺寸，并運(yùn)用Pro/E軟件完成動(dòng)態(tài)仿真分析，得出關(guān)鍵零部件的受力狀態(tài)圖，設(shè)計(jì)出船體在縱傾10°、橫傾20°的海況下仍能正常拋艇的吊艇架。

1 吊艇架設(shè)計(jì)及計(jì)算

1.1 吊架主體尺寸

據(jù)全國船舶標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(CB*3072-1983)確定吊艇架主要尺寸，如圖1所示。甲板總寬b=2 980～3 150 mm，艇中線位置距船舷距離為1 600 mm，支點(diǎn)位置如圖2所示，前支點(diǎn)距中線的距離為820 mm，后支點(diǎn)距中線的距離為1 350 mm，艇架總高為5 650 mm。支腳的尺寸(長×寬×高)為500 mm×550 mm×270 mm，前后支腳的支柱對稱布置，且支柱的側(cè)面在同一平面內(nèi)。

圖1 吊臂的總體尺寸

圖2 前后支點(diǎn)的位置

C7.0封閉式救生艇重力倒臂式吊艇架尺寸：艇長L=7 m,艇寬B=2.6 m,吊鉤間距l(xiāng)=6.8 m，最大艇寬B1=2.72 m，艇深H=1 m，總高H1=3 m。吊鉤間距l(xiāng)=6.8 m，故跨度應(yīng)取6 800 mm，即橫梁的尺寸為6 800 mm。吊架高度為3 300 mm，故下側(cè)吊臂尺寸選為3 000 mm。吊架后支腳距船舷距離為2 950 mm，故救生艇寬為2 700 mm。SOLAS公約修正案要求吊艇須能在橫傾20°工況下安全下水，且吊臂只能向外旋轉(zhuǎn)57°時(shí)，救生艇達(dá)到與船舷對齊能夠向下放艇，則上側(cè)吊臂的長度應(yīng)為2 945 mm。

1.2 吊臂零配件選型計(jì)算

吊臂所受彎矩較大，考慮到離中線遠(yuǎn)的地方慣性矩較大，且應(yīng)盡可能減輕自身的重量，故初選吊臂由方板和槽鋼組成，橫截面為口字形。吊臂由方板和槽鋼組成，選用16a槽鋼，其尺寸為：高度h=160 mm,腰厚d=6.5 mm,平均腿厚t=10 mm，內(nèi)圓弧半徑r=10 mm,腿端圓弧半徑t1=5 mm。

設(shè)計(jì)吊臂轉(zhuǎn)軸直徑時(shí)，取吊臂在未放艇和吊臂完全水平放艇瞬間2個(gè)工況分別進(jìn)行受力分析設(shè)計(jì)計(jì)算。吊臂軸的材料為合金結(jié)構(gòu)鋼40Cr。由剪切許用應(yīng)力計(jì)算出d1=18.02 mm，由彎曲許用應(yīng)力計(jì)算出d2≥14.13 mm。由于d1>d2的最小值為保證安全，因而以剪切強(qiáng)度的結(jié)果作為依據(jù)，軸的最小截面直徑大于或等于18.02 mm，考慮到吊臂轉(zhuǎn)軸不易更換，且船舶必須定期檢驗(yàn)看其能否達(dá)到使用要求，因此需增加一些磨損量。

枕套材料為鑄鋁青銅，B=67.94 mm。計(jì)算2塊支撐板的尺寸。支柱材料：Q235 鋼，厚度尺寸t=33.13 mm。選鋼絲繩(18×7，18股7絲)，公稱抗拉強(qiáng)度為1 960 MPa，總橫斷面積為48.47 mm2，參考質(zhì)量為45.32 kg/100 m。滑輪的構(gòu)造選為起重機(jī)鋼絲繩專用滑輪，材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。鋼絲繩直徑d=11 mm，R= 6 mm，H=20 mm，B1=36 mm，E1=25，C= 1 mm，R1=12 mm，R2=10 mm，R3=2.5 mm，R4=3 mm，M=8 mm，S=9 mm，滑輪直徑為185 mm。圖3為滑輪剖視圖。

圖3 滑輪剖視圖

2 Pro/E三維建模及仿真分析

2.1 吊艇架三維建模及裝配

吊艇架屬于焊接件，除了吊臂轉(zhuǎn)軸和導(dǎo)向滑輪處采用轉(zhuǎn)軸連接外，其余均由鋼板焊接而成。本文選用的鋼板厚度為20 mm，在Pro/E軟件中用草繪、拉伸等命令建模。吊臂裝配時(shí)先用鋼板剛性連接構(gòu)成基礎(chǔ)部件，同時(shí)將小滑輪和軸進(jìn)行銷釘連接，銷釘連接限制5個(gè)自由度，最后把滑輪組件裝配到吊臂的基礎(chǔ)構(gòu)件上。軸在裝配時(shí)采用剛性連接，完全限制自由度，再將軸套裝入吊臂，采用軸對齊和端面匹配的方式完全約束軸套的自由度[2]。裝配好的吊臂如圖4所示。

圖4 吊臂裝配

吊架的裝配方法和上述吊臂的裝配方法一樣，完成吊架的組件(如圖5所示)和吊艇架的總裝配圖(如圖6所示)。

圖5 吊架的組件

圖6 吊艇架的總裝配

2.2 吊艇架的仿真分析

2.2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析創(chuàng)建過程：創(chuàng)建模型(定義設(shè)置)—檢測模型(拖動(dòng)組件)—添加建模圖元(伺服電機(jī))—準(zhǔn)備分析(定義快照，創(chuàng)建測量)—運(yùn)動(dòng)分析—獲取結(jié)果(回放結(jié)果，檢查干涉)。吊臂末端處位置曲線如圖7所示，速度曲線如圖8所示，運(yùn)動(dòng)包絡(luò)如圖9所示。隨著時(shí)間增加，吊臂末端的運(yùn)動(dòng)位置曲線運(yùn)動(dòng)范圍為6 100 mm～6 350 mm，運(yùn)動(dòng)速度為0 mm/s～700 mm/s，通過這些圖可以預(yù)測到真實(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)情況。

圖7 吊臂末端處位置曲線

圖8 吊臂末端點(diǎn)速度曲線

圖9 吊臂的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)

2.2.2 動(dòng)力學(xué)仿真分析

機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析工作流程：①創(chuàng)建模型(定義主體，指定質(zhì)量等參數(shù))；②檢測模型(拖動(dòng)組件)；③添加建模圖元，應(yīng)用伺服電機(jī)，應(yīng)用彈簧，應(yīng)用阻尼器，定義執(zhí)行電機(jī)，定義力矩和負(fù)荷，定義重力，機(jī)構(gòu)施加好載荷(如圖10所示)；④創(chuàng)建測量，吊臂轉(zhuǎn)軸處的徑向力(如圖11所示)，吊臂轉(zhuǎn)軸處的徑向力矩(如圖12所示)，吊臂轉(zhuǎn)軸處的角加速度(如圖13所示)；⑤分析模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，動(dòng)態(tài)分析，靜態(tài)分析，再進(jìn)行力平衡分析—獲取結(jié)果，檢查干涉。

如圖11所示，吊臂轉(zhuǎn)軸的徑向力為45 055～44 980 N。圖12中，吊臂轉(zhuǎn)軸的徑向力矩為-5.5×107～-1×107N·mm。圖13中，角加速度為-1.5～1.5 rad/s2。

圖10 施加載荷后的吊架

圖11 吊臂轉(zhuǎn)軸處的徑向力

圖12 吊臂轉(zhuǎn)軸處的徑向力矩

圖13 吊臂轉(zhuǎn)軸處的角加速度

3 結(jié) 語

本文對C7.0封閉式救生艇重力倒臂式吊艇架的數(shù)字化設(shè)計(jì)和優(yōu)化進(jìn)行論述，在初步計(jì)算吊臂的尺寸基礎(chǔ)上運(yùn)用Pro/E對吊艇架進(jìn)行三維建模，由仿真分析得到關(guān)鍵部件隨時(shí)間的受力狀態(tài)圖，通過與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算相比較，各零部件均滿足工作要求。通過合理利用資源，減少吊艇架開發(fā)周期和成本，對我國船用救生設(shè)備行業(yè)的探索并運(yùn)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段有一定的啟發(fā)和推進(jìn)作用。

[1] 劉震，洪海容，陳培基. 吊艇架技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展及相關(guān)問題探討[J]. 船舶工程，2006,28(4):9-12.

[2] 林清安. Pro/Engineer Wildfire 2.0基礎(chǔ)入門與范例[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2005.

DigitalDesignManufactureandSimulationofMarineCraneBoatDavit

JI Jian1, QIAN Xingda2, XU Jiao3, LIU Zhiqiang2, XU Yingjun1

(1.Zhejiang Marine Development Research Institute, Zhoushan 316000, Zhejiang， China; 2.School of Mechanical Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, Jiangsu, China; 3. Zhoushan Ship Engineering Research Center, Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute, Zhoushan 316000, Zhejiang, China)

On the basis of the domestic marine davit production practice, the thought of digital design and manufacture of davit is put forward. The Pro/E software simulation analysis is carried out on the boat davit to calculate the most dangerous section under the working condition of the most dangerous state. The stress of rotor in the process of the whole motion is simulated and the time and manufacturing cost of davit design are reduced.

boat davit； dangerous section； digital design; simulation

舟山市市級科技項(xiàng)目：船裝平臺建設(shè)(編號：2011C21003)

季 建 (1986-) 男, 工程師 ，研究方向?yàn)榇疤摂M仿真技術(shù)、設(shè)備開發(fā)

1000-3878(2017)06-0078-04

U667

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