某船用回轉式起重機臂架應力與穩定性分析

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。

1 計算模型

1.1 結構形式及有限元模型

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 計算工況及邊界條件

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

2 計算及強度校核

2.1 屈服強度校核

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。

2.2 屈曲強度校核

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。

3 結論

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.