基于有限元法港口起重機(jī)起重臂靜力學(xué)分析

曾國源

（福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，福建泉州 362000）

0 引言

港口起重機(jī)具有便利、靈活和使用范圍廣等特點(diǎn)，已成為大型港口必備的裝卸設(shè)備。目前國內(nèi)外的起重機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)商及研究所，對(duì)起重機(jī)關(guān)鍵的性能參數(shù)的設(shè)計(jì)能力和制造工藝較以前提高顯著，正朝著重型化、模塊化、參數(shù)化和智能化，以及穩(wěn)定性、可靠性、高效率、經(jīng)濟(jì)性方向發(fā)展[1-2]。

為保證港口起重機(jī)的可靠運(yùn)行，提高使用率，延長設(shè)備使用壽命，對(duì)潛在的生產(chǎn)安全隱患進(jìn)行預(yù)防，減少設(shè)備維護(hù)費(fèi)用，需要通過理論分析計(jì)算掌握其靜態(tài)性能，才能提出并實(shí)施設(shè)計(jì)優(yōu)化改進(jìn)方案和后期的使用維護(hù)措施。

由于過載、裂紋、疲勞與銹蝕等原因，港口起重機(jī)引發(fā)的各種故障，可能降低或喪失其預(yù)先設(shè)計(jì)的功能和作用。因此，需要深入分析起重機(jī)的靜力學(xué)性能，尋找到最大的危險(xiǎn)受力部位，消除潛在的安全隱患，保證其安全穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，要對(duì)這類復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件實(shí)施監(jiān)測(cè)不僅耗時(shí)長，且有可能無法真正檢測(cè)到安全隱患部位。為解決這類問題，本文采用ANSYS（有限元分析軟件）先對(duì)其3D結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行理論受力分析，求解出理論上的結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)受力部位，再對(duì)這些潛在危險(xiǎn)部位采用應(yīng)力、磁記憶等無損檢測(cè)工藝方法，最終找到缺陷部件進(jìn)行安全預(yù)防。

1 起重機(jī)結(jié)構(gòu)模型和簡化

1.1 港口起重機(jī)基本結(jié)構(gòu)

某型號(hào)港口起重機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中：塔身（塔架）為圓形截面的鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)部焊接大量的加強(qiáng)作用的角鋼，支撐著起重機(jī)上部結(jié)構(gòu)的全部重量，并將其轉(zhuǎn)至底架、臺(tái)車和軌道基礎(chǔ)；門架橫梁、行走機(jī)構(gòu)、門梁、轉(zhuǎn)臺(tái)均采用不同厚度的鋼板焊接；臂架主梁由不同截面的圓鋼管焊接，頭部及支座由不同厚度的鋼板焊接[3]。

1.2 起重臂模型簡化

由于港口起重臂空間結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此建立一個(gè)有效且合理的有限元模型對(duì)求解計(jì)算是很有必要的，對(duì)其進(jìn)行3D建模時(shí)不能將所有因素都考慮，忽略其結(jié)構(gòu)阻尼，不考慮非線性關(guān)系和過渡圓角。對(duì)該港口起重臂進(jìn)行了如下的假設(shè)和簡化：

（1） 港口起重臂3D模型根據(jù)圖紙尺寸創(chuàng)建，簡化其加強(qiáng)筋和肋板等局部結(jié)構(gòu)；

（2）建立起重臂架3D模型時(shí)，忽略處理鋼絲繩、螺栓、鉸軸等微小特征結(jié)構(gòu)；

（3） 采用密度補(bǔ)償法處理人字梯結(jié)構(gòu)的重力均勻分布于臂架；

（4） 模型受力應(yīng)與其在工作時(shí)外載荷作用下相同，吊桿、拉桿機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、配重、起升機(jī)構(gòu)、小車和吊鉤以集中力的方式加載到相關(guān)節(jié)點(diǎn)；

（5） 模型的邊界條件處理應(yīng)與其實(shí)際工作時(shí)保持一致，分析計(jì)算載荷時(shí)，只考慮起重機(jī)臂架能承受的常規(guī)和偶然載荷，不考慮特殊載荷的影響。

2 臂架結(jié)構(gòu)模型建立及施加載荷

根據(jù)港口起重機(jī)的工作特性建立起重臂的笛卡爾坐標(biāo)系，臂架結(jié)構(gòu)只繞Z軸旋轉(zhuǎn)，X軸指向臂架起吊端，臂架的對(duì)稱平面為XOY和XOZ面，起升及變幅鋼絲繩拉力、起吊載荷設(shè)置在XOY面。

起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)主要采用梁桿單元和板殼單元構(gòu)建有限元3D模型。由圓形鋼管焊接的變幅齒條和臂架結(jié)構(gòu)，采用梁單元Beam188來建模，Beam188在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上默認(rèn)有6個(gè)自由度。臂架支座，變幅支座及起升支座由鋼板焊接，采用彈性殼單元Shell63建模，Shell63殼單元既具有彎曲能力又具有膜力，可以承受平面內(nèi)荷載和法向荷載[4-6]。配重采用MASS21單元建模。

為避免具有不同結(jié)點(diǎn)自由度的梁單元和板殼單元的聯(lián)接問題，采用均有6個(gè)自由度的Shell63、Beam188單元來建模分析，因此可共用節(jié)點(diǎn)。在模型中，通過共用節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)構(gòu)件間的緊固連接。根據(jù)起重臂架圖紙?zhí)峁┑某叽鐒?chuàng)建有限元模型，劃分網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 起重臂架有限元網(wǎng)格模型

起重機(jī)的轉(zhuǎn)臺(tái)上安裝有鉸軸系統(tǒng)與臂架人字架組合支座，起重機(jī)在運(yùn)行過程可繞鉸軸旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的變幅，通過約束鉸軸的3個(gè)方向的移動(dòng)自由度以及繞X方向和繞Y方向的旋轉(zhuǎn)自由度來分析加載邊界條件。

起重機(jī)的臂架為實(shí)現(xiàn)變幅，先通過變幅機(jī)構(gòu)帶動(dòng)鋼絲繩，斜拉桿與塔身結(jié)構(gòu)的聯(lián)接、平衡臂架和兩根斜拉桿的聯(lián)接、平衡臂架的臂腿與塔身結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)部位的轉(zhuǎn)接均為固定鉸聯(lián)接。在起重機(jī)的臂架變幅支座位置建立鉸軸聯(lián)接，再從鉸軸中心到人字架鉸軸創(chuàng)建桿梁結(jié)構(gòu)，從而分析起重機(jī)的加載受力形變情況，約束人字架鉸軸位置的X、Y、Z三個(gè)方向的移動(dòng)自由度以及繞X和Y方向的旋轉(zhuǎn)自由度，以簡化變幅鋼絲繩對(duì)臂架的約束條件。

考慮自重影響的情況下（重力加速度g=9.8 m/s2），以起重機(jī)的臂架幅角為38.5°分析計(jì)算，提升負(fù)載的質(zhì)量為42 t，對(duì)臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載受力形變分析，再根據(jù)幾何關(guān)系求出鉸軸聯(lián)接的坐標(biāo)位置點(diǎn)為：（17 034.7，14 258.5）mm，將提升負(fù)載沿臂架方向和垂直臂架方向受力分解，可得：FX=372 528.4 N，F(xiàn)Y=313 735.6 N；考慮動(dòng)載時(shí)，應(yīng)乘以動(dòng)載系數(shù)φ2，即：FX=436 296.3 N，F(xiàn)Y=378 676.4 N。

3 臂架結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算結(jié)果及分析

由ANSYS有限元軟件求解可得，該起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)X、Y和Z向的變形總位移如圖3所示。

圖3 起重臂架變形總位移圖

由圖可知，起重臂架由于受到加在臂架末端載荷的作用，最大位移點(diǎn)出現(xiàn)在臂架末端，最大位移值為203.1 mm，整機(jī)有向前傾的趨勢(shì)。依據(jù)文獻(xiàn)[7-8]對(duì)臂架類起重機(jī)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，靜繞度的設(shè)計(jì)推薦經(jīng)驗(yàn)公式為W=（1/200～1/250）R，R為臂架幅度。若R=70 m，則臂架的靜繞度安全范圍為280～350 mm，故其靜繞度滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

圖4所示為起重臂架結(jié)構(gòu)的Von mises等效應(yīng)力云圖，可知材質(zhì)為球鐵Q345的臂架其最大應(yīng)力為235 MPa＜[σ]=340 MPa，故該臂架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

圖4 起重臂架Von mises等效應(yīng)力圖

圖5 起重臂架局部Von mises等效應(yīng)力圖

對(duì)起重臂架的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析，圖5（a）所示位置1出現(xiàn)最大應(yīng)力，其有向重物傾斜的趨勢(shì)，與實(shí)際情況相符，建模時(shí)用梁單元來模擬臂架主梁和綴桿，由于臂架末端承受的彎矩較大，故在臂架末端位置的應(yīng)力較大，從而導(dǎo)致了此位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，實(shí)際鋼板和主梁、加強(qiáng)桿是一體焊接，會(huì)較大改善受力情況。另外在圖5（c）所示位置3局部應(yīng)力相對(duì)較大，約為180 MPa，其余位置應(yīng)力均在135 MPa以下，有變幅鋼繩的約束加強(qiáng)作用，臂架變幅支座位置出現(xiàn)局部應(yīng)力相對(duì)較大，設(shè)計(jì)制造過程中應(yīng)采取局部加強(qiáng)措施。而圖5（b）、（d）所示位置2和4主要原因是由于其臂架受力部位的高度增高，應(yīng)力會(huì)相對(duì)集中。由于有外部加強(qiáng)約束作用，對(duì)整體結(jié)構(gòu)的安全性影響處于可接受的范圍內(nèi)。在起吊負(fù)載的重量作用下，若腹桿間的焊縫開裂失去承載能力，會(huì)引起臂桿內(nèi)力突然增大和重新分布，致使桿件因過載而失穩(wěn)。當(dāng)負(fù)載重量超過使這些桿件失穩(wěn)彎折的臨界值后，則起重臂受力的有效截面會(huì)逐漸減小，該吊臂最終將會(huì)彎曲折斷。

由分析可知，起重臂在設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，將靜定結(jié)構(gòu)改為超靜定結(jié)構(gòu)，即使某一根腹桿失穩(wěn)破壞，其內(nèi)力將進(jìn)行重分布，不至于立即發(fā)生彎折破壞。起重機(jī)生產(chǎn)廠家應(yīng)加強(qiáng)焊接質(zhì)量控制與檢查，出廠前進(jìn)行探傷檢驗(yàn)，若發(fā)現(xiàn)有裂紋需重新施焊。起重機(jī)在使用時(shí)應(yīng)進(jìn)行定期檢查和維修，發(fā)現(xiàn)油漆剝落和金屬材料銹蝕，應(yīng)查明原因。各種細(xì)小裂紋是鋼結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力狀態(tài)漸變的先兆，必須立刻采取措施，如果主要受力構(gòu)件腐蝕超標(biāo)應(yīng)提出停止使用，報(bào)備處理報(bào)告。

4 結(jié)束語

港口起重機(jī)臂由于過載、裂紋、疲勞與銹蝕等原因所引發(fā)的潛在安全隱患，可能導(dǎo)致港口起重機(jī)的不能可靠運(yùn)行。本文對(duì)港口起重機(jī)的起重臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元三維建模，分析了起重臂的靜力學(xué)特性，模擬計(jì)算起重臂在起吊負(fù)載過程的受力，得到臂架的變形量、應(yīng)力值及其分布趨勢(shì)，可為檢測(cè)人員對(duì)在役的港口起重機(jī)需要監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)部位和后期的使用維護(hù)提供依據(jù)，并為設(shè)計(jì)單位的后續(xù)改進(jìn)優(yōu)化提供了方向指導(dǎo)。