沖擊載荷下某船用起重機貯存強度評估

王海濤 張圍圍 申勇 宋國臣

摘要：沖擊載荷作用下艦船設備的抗沖擊能力是其生命力的重要組成部分，因此，在某船用起重機三維實體建模的基礎上進行簡化，并構建抗沖擊計算模型。采用DDAM譜分析法對模型開展模態分析，將規定沖擊譜作為輸入，綜合模態分析結果得到了該船用起重機沖擊載荷下的最大應力和位移。通過ISO應力剪裁圖對仿真數值進行分析，剔除了由模型自身及網格劃分方法引起的應力集中點，對該船用起重機在給定沖擊載荷作用下的強度進行了數值仿真與評估。仿真結果表明，在受到三個方向沖擊時，扣除應力集中的影響，船用起重機的最大應力均小于材料的屈服極限，各部件不會產生斷裂或永久性的塑性變形，設備抗沖擊安全性滿足要求。

關鍵詞：沖擊載荷；船用起重機；應力集中；強度評估

中圖分類號：TH132 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.02.003

文章編號：1006-0316 （2024） 02-0013-06

Storage Strength Evaluation of a Marine Crane under Impact Loads

WANG Haitao¹，ZHANG Weiwei²，SHEN Yong¹，SONG Guochen¹

（ 1.?CSSC 713th Research Institute， Zhengzhou 450015， China;2. Jiangnan Shipbuilding Group Co.， Ltd.， Shanghai 201913， China?）

Abstract：The impact resistance of marine equipment is important to its survival ability. Based on the simplified three-dimensional solid modeling of a marine crane， this article constructs an impact resistance calculation model. The DDAM spectral analysis method is used to conduct modal analysis on the model. The maximum stress and displacement of the marine crane under impact loads are obtained by synthesizing the modal analysis results under the specified impact spectrum. The simulation values are analyzed using ISO stress clipping diagrams， and the stress concentration points caused by the model itself and grid partitioning methods are removed. The strength of the marine crane under a given impact load is numerically simulated and evaluated. The simulation results show that when the marine crane is impacted in three directions， excluding the effect of stress concentration， the maximum stress of the marine crane is less than the yield limit of the material. Each component will not undergo fracture or permanent plastic deformation， and the equipment meets the requirements for impact resistance safety.

Key words：impact loads；marine crane；stress concentration；strength evaluation

船用起重機用于船上物品的起吊轉運，主要由回轉支撐裝置和起重臂組兩部構成?；剞D支撐裝置用于支承和水平轉動起重臂組，起重臂組用于起吊被轉運設備。作為起重設備，該船用起重機工作時的強度剛度是設計時考慮的重要因素。船用起重機在設計時除了考慮工作狀態下起吊最大載荷所承受的力及艦船搖擺所引起的附加力外，還應考慮其長期貯存狀態承受沖擊載荷的能力。按照GJB 1060.1－91《艦船環境條件要求 機械環境》^[1]規定，安裝位置為船體的設備屬于Ⅰ類區域，抗沖擊等級為A級，為甲類設備；安裝位置為甲板的設備屬于II類區域，抗沖擊等級為B級，為乙類設備^[2]。對于甲類設備，應開展抗沖擊試驗，對于乙類設備和外形尺寸較大、不具備開展抗沖擊試驗條件的甲類設備，應進行設備的抗沖擊仿真計算。如圖1所示，某船用起重機是安裝于甲板上的乙類設備^[3]，需對其在沖擊載荷條件下的貯存強度進行數字仿真，評估其抗沖擊能力。

目前，用于機械結構設備的主要抗沖擊計算方法有：沖擊系數法、時間歷程法和DDAM（Dynamic Design Analysis Method，動態設計分析法）譜分析法^[4]。沖擊系數法是將瞬態沖擊力按照工程經驗取等效系數的方法，等效為數倍重力開展靜力學仿真分析，考慮受沖擊結構質量分布對沖擊的影響，該方法計算誤差較大。時間歷程法一般用于電氣類產品環境沖擊試驗，計算規定沖擊激勵下的響應，獲得機械產品不同時刻每個節點的應力和應變。DDAM譜分析法是先對機械模型開展模態分析，將規定沖擊譜作為輸入，綜合模態分析結果，得到整體機械模型的沖擊響應結果，計算誤差較小，是目前較為流行的抗沖擊仿真計算方法^[5]。

船用起重機貯存時起重臂組處于收縮折疊狀態。本文根據設備抗沖擊要求將沖擊環境對應的沖擊加速度譜和速度譜作為輸入引入貯存狀態計算模型，得到船用起重機貯存狀態下的抗沖擊性能。該計算方法對開展船用設備沖擊載荷下的強度評估具有較強的參考意義。

1 仿真建模與模型簡化

首先利用三維建模軟件Cero建立該船用起重機的三維實體模型，如圖2所示。

船用起重機結構比較復雜，考慮到傳動部件等對設備抗沖擊仿真計算無影響，因為對不利于網格劃分的部分可進行簡化處理^[6]。建模時將回轉支撐裝置中的回轉支承由齒輪簡化為圓環，驅動機構中省略液壓馬達、小齒輪和減速箱等部位，同時省略放置在回轉支撐裝置上的液壓泵站、電氣箱等已開展過沖擊試驗的部件。省略掉的部件重量以質量點的形式等效放置在回轉支撐裝置相應位置^[7]。伸縮臂組的二級臂、三級臂與四級臂重量等效到一級臂上。

三維模型建立完畢后，導入ANSYS。計算模型采用了實體單元與點質量單元組合，其中質量單元模擬省略了結構的慣性作用^[8]。船用起重機貯存狀態通過螺栓將回轉支撐裝置底部的8個支撐座與船體基座固連，模型計算式對回轉支撐裝置底部8個支撐座添加Z方向約束，在X和Y方向允許微量滑移。根據設計要求^[1]，船用起重機抗沖擊等級為B級，設備安裝位置為II類安裝區域。

船用起重機主要部件所用材料的主要參數如表1所示。

2 沖擊載荷確定

根據DDAM譜分析法對應的設計輸入經驗公式。對安裝于船體上的I類安裝區域，以及安裝于甲板上的II類和III類安裝區域，有：

A₀（1）

V₀（2）

式中：A₀為加速度譜，m/s²；V₀為速度譜，m/s；m為模態質量，t；、、為系數；、、、為常數。

由設備沖擊環境條件可知，船用起重機為II類安裝區域設備，根據GJB 1060.1-91^[1]，規定DDAM譜分析法中對應系數和常數代入為^[9]：

A₀（3）

V₀（4）

船用起重機沖擊環境條件對應的沖擊加速度譜和速度譜如表2所示^[1]?？筛鶕O備在經受沖擊載荷后是否允許出現塑性變形選擇相應的加速度譜和速度譜。本文研究的船用起重機在經受沖擊后不允許出現塑性變形，因此按照彈性設計進行考慮，表中A_a、V_a為設備不同模態質量所對應II類和III類安裝區域的沖擊加速度譜和速度譜。

設備具體的設計譜依據A₀和V₀采用表2的系數計算。根據式（3）、式（4）確定的A₀和V₀，取A₀和V₀中的小值作為動力學分析系統在給定沖擊方向上的沖擊設計加速度。

3 模態選擇

模態是機械結構的固有振動特性。每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型^[10]。模態與結構的質量分布、剛度特性、約束形式和預應力狀態有關，與外界激勵無關。模態是結構產生擾動后，會以特定的頻率發生振動，且振型始終和特定頻率保持唯一對應。在設備抗沖擊計算中，不需要對所有模態進行疊加合成，其計算結果與模態選擇及輸入的設計譜參數密切相關^[11]。

模態選擇需符合的要求為：①選擇的總模態質量大于分析系統總質量的80%；②分析的模態中應包括模態質量大于分析系統總質量10%的所有模態；③優先考慮較低頻率的模態。

對船用起重機模型開展模態分析，在不同方向沖擊下，船用起重機所選模態的模態頻率、模態質量以及設計加速度值如表3所示。

4 計算結果

根據第2節確定的沖擊載荷，在沖擊響應譜分析中分別對船用起重機縱向、橫向和垂向加速度譜和速度譜進行加載。加載方式采用單點響應譜，模態合成按照第3節確定的模態，采用模態疊加的方法進行合成。設置完成后求解得到船用起重機在垂向、縱向和橫向三個方向的沖擊應力和位移，如表4所示，其應力與位移云圖如圖3～10所示。

船用起重機受縱向沖擊時，最大位移為6.539 mm，位于一級臂的端部；最大應力值為358 MPa，位于底部回轉支承安裝架與蒙皮之間結合處。受橫向沖擊時，最大位移9.161 mm，位于一級臂端部；最大應力值643 MPa，位于回轉支承安裝架上。由圖9可以看出，該處大于350 MPa的區域僅一點，為應力集中點，其余各部位的應力值均小于350 MPa。受垂向沖擊時，最大位移11.809 mm，位于一級臂端部；最大應力值1730 MPa，位于固定支腿處。由圖10可以看出，大于500 MPa的區域只有固定支腿處邊沿的一點，其余各部位的應力值均小于500 MPa。

計算得出，船用起重機受不同方向沖擊產生的最大位移位于一級臂端部，為11.809 mm。受垂向沖擊時，在回轉支撐裝置固定支腿處產生應力集中，最大應力值1730 MPa，這是因為裝置結構復雜，零件大小差異較大，網格劃分產生畸變，在計算中產生應力集中點。除去計算時產生的應力集中點，其余各部位的應力值均小于500 MPa。船用起重機的臂組、錐形蓋和安裝架結構材料均選用HG70，屈服強度為590 MPa；固定支腿、支撐塊和軸的材料為20CrMo，屈服強度685 MPa。從而可知，船用起重機受到三個方向沖擊時，除去應力集中的影響，其最大應力均小于材料的屈服極限，各部件不會產生斷裂或永久性的塑性變形，船用起重機沖擊安全性滿足要求。

5 結語

利用Cero軟件進行船用起重機的三維實體建模，建模過程中，對不利于網格劃分且不影響仿真結果的部件進行簡化處理，通過ANSYS軟件對船用起重機抗沖擊強度進行仿真分析。結果表明：

（1）船用起重機縱向沖擊最大等效應力為358 MPa，小于材料屈服極限，滿足抗沖擊要求。

（2）船用起重機橫向沖擊最大等效應力為643 MPa，小于材料屈服極限，滿足抗沖擊要求，同時圖9可以看出，該應力值為應力集中點，在零部件圓角交屆點處。該應力值可忽略，但在零部件加工時該處應注意進行圓角處理。

（3）船用起重機垂向沖擊最大等效應力為1730 MPa，遠超材料屈服極限685 MPa，但由圖10可以看出，該應力值為應力集中點，原因在于零部件應力集中處零件大小差異較大，網格劃分產生畸變。通過分析，該應力值可忽略?？鄢搼悬c，其余應力均小于500 MPa，小于材料屈服極限，滿足抗沖擊要求。

（4）船用起重機在受到三個方向沖擊時，均會產生較大的變形，但設備整體應力值均小于材料的屈服應力，設備機械結構不會發生塑性變形和失效，該船用起重機在給定沖擊條件下貯存強度滿足要求。

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