文 攀
(華中科技大學 船舶與海洋工程學院,武漢430074)
起重機臂架系統作為起重機主要的承載部件,其剛度、強度直接關系到起重機的安全及性能[1]。本文利用大型有限元軟件Ansys,通過有限單元法,獲得該回轉起重機臂架在各種工況下的應力分布及失穩情況,并按照中國船級社《船舶與海上設施起重設備規范》(以下簡稱《規范》)進行強度與穩定性校核[2],為該起重機臂架的優化設計提供設計參考,達到既滿足結構強度要求又降低成本的目的。
臂架放置在船舶甲板的塔架上,不工作時,臂架是擱置在甲板上的,臂架工作時,除了可以變幅以外,還可以繞塔架360°旋轉工作。該臂架總長達到108 m,高4 m,最寬處9 m,最窄處3 m。起重機臂架主要用鋼管焊接成的空間桿結構,桿之間交叉布置有腹桿。通過初步計算可知,在主鉤,副鉤及小鉤附近的應力最大,為了更加準確地計算此處的應力,吊鉤附近的桿結構和板結構采用殼單元shell181單元,其余的桿結構采用beam188單元。取右手直角坐標系,沿船長方向為x方向,沿船寬方向為y方向,垂直于水面向上為z方向,原點在臂架與塔架連接的鉸接結構的中心處。見圖1、2。
圖1 船用回轉起重機布置示意
圖2 臂架整體有限元模型
1.2.1 計算工況根據起重機的設計方案,并結合《規范》給出需要校核的工況,見表1。
1.2.2 邊界條件
①底部約束:臂架底部軸孔的內表面加了徑向及軸向的約束,見圖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,端部節點約束所有自由度,見圖4。
表1 臂架系統工作工況
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。臂架的自重通過施加慣性加速度來加載。
2)拉繩的拉力。由于整個結構是超靜定結構,為了求解的需要,將部分拉繩簡化為力。當主鉤及小鉤加載重物時,中部副鉤板架處有2倍俯仰繩拉力;當副鉤加載重物時,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表2。
3)船舶運動引起的載荷。根據《規范》3.2.11.1給出的船舶運動產生的加速度,由船舶運動作用在臂架上的載荷通過施加慣性加速度的方式來加載。
4)風載。按照《規范》要求計算臂架上的風載,根據規范計算得到側吹時風載為195.5 kN,正吹時風載為138.5 kN。
表2 各工況下繩上的拉力 kN
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應力分布和大小。圖5~10為不同工況下應力最大位置附近應力分布云圖。
圖5 工況1應力最大位置附近應力分布
圖6 工況2應力最大位置附近應力分布
圖7 工況3應力最大位置附近應力分布
圖8 工況4應力最大位置附近應力分布
圖9 工況5應力最大位置附近應力分布
圖10 工況6應力最大位置附近應力分布
臂架工作狀態強度計算結果見表3。
表3 臂架工作狀態強度計算結果 MPa
從圖5~10可以看出,最大的應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致的應力集中,另一方面可能是由于模型的簡化產生誤差。為了減小副鉤附近主桿上的應力,桿結構局部加厚,所以從圖5a)和圖10a)中可以發現副鉤附近主桿的應力明顯地減小,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,應力分布比較接近,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的應力較工況1和工況2要小。
根據《規范》中3.2.16的校核公式,管材的屈服強度為桿上最大Mises應力253.9 MPa,小于1.1[σ桿](308 MPa),板上最大Mises應力161.8 MPa,小于1.1[σ板](194.04 MPa),強度滿足規范要求。
臂架相當于一個細長梁,特別是在吊重最大為250 t時,臂架的轉幅最大,臂架軸向的壓應力很大,容易產生失穩,所以有必要校核臂架的穩定性。本文采用特征值屈曲分析方法對臂架的整體穩定性進行計算,并對臂架穩定性進行校核。將臂架看做一個細長梁,底部只允許臂架有轉動自由度,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行分解,并平均施加在其上的節點上,其余部分載荷均按照各工況的實際情況加載。通過屈曲分析可得到6種工況下的安全系數分別為5.1、5.6、6.5、5.8、6.6、8.6。
由以上結果可知,各種工況下,臂架的穩定性符合規范的要求,并且安全系數均有較大的儲備。
計算驗證了臂架的屈服和屈曲強度都能滿足《規范》的要求,說明該臂架的設計是可行的。
本文對臂架強度和穩定性校核方面做了一些工作,但是仍有不少問題需要進一步研究探討,主要體現在以下兩個方面。
l)臂架模型的簡化還存在一定的問題,特別是桿與板架的連接處的簡化,這些位置的板上往往出現應力集中,不能準確地反應映力大小,如果詳細建模,又會增大工作量,計算成本增加,因此,要找到一些更加合理的簡化方法去模擬連接處的模型。
2)海洋環境很惡劣,船體的晃動會使臂架產生很大動載荷,本文對臂架的計算都是基于靜力分析,沒有考慮動載荷的影響,雖然依據規范加入了動力的修正系數,但計算結果并不一定能反映實際情況,如果用動力學分析方法,又會在很大的程度上增加計算成本,如何既準確又經濟地計算這種大型、復雜結構的應力,還有待進一步的研究。
[1]陳 峰.80 t履帶式起重機臂架的有限元分析[D].長春:吉林大學,2009.
[2]中國船級社.船舶與海上設施起重設備規范[S].北京:人民交通出版社,2007.