基于有限元的造船門式起重機典型事故仿真

王寶家，殷晨波，馬 峰

（南京工業大學 機械與動力工程學院，南京 211800）

0 引言

造船門式起重機廣泛應用于船廠安裝作業，其額定起重量從幾噸到幾百噸。造船門式起重機以間歇、重復的工作方式，將重物通過起重吊鉤或其他吊具懸掛在承載構件（如鋼絲繩、鏈條等）上進行起升、下降、或升降與運移的機械設備，其最大特點是短周期的循環作業[1,2]。然而造船門式起重機在提高效率，節省人力的同時，也存在著巨大的安全隱患。其中典型的事故工況有超載和碰撞。超載會引起造船門式起重機的整機傾覆；主梁彎曲，主梁下蓋板疲勞斷裂；鋼絲繩斷裂，負載墜落。碰撞會是柔性支腿失穩、疲勞斷裂，從而導致整機傾覆或倒塌。因此，對于造船門式起重機進行事故再現仿真非常有意義。本文以300t-43mA型雙梁造船門式起重機為研究對象，對超載和碰撞進行了模擬仿真，分析了運動過程中各部位力的情況，為造船門式起重機安全操作、研究以及評估提供了技術支持。

1 造船門式起重機的有限元模型

本文以300t-43mA型雙梁造船門式起重機為研究對象，它主要由主梁、柔性支腿、剛性支腿、大車、上小車、下小車組成，上跑車和下跑車上裝有起升機構和運行機構，將貨物吊起后可以沿著主梁上的布置的軌道前后運行。造船門式起重機作業最大空間即上跑車和下跑車運行以及起升機構的升降動作形成立體狀態的空間范圍。在PRO/E中對起重機進行參數化建模，遵循結構簡化原則以及結合部特性參數的融合技術，以便提高有限元計算的精度。然后將三維模型導入到ADAMS中，并進行對模型進行相應的約束以及施加載荷，建立的有限元模型如圖1所示。

圖1 門機虛擬樣機模型

2 事故仿真再現

造船門式起重機的事故眾多，如超載實驗，風載試驗，碰撞試驗，墜落試驗等，但是基于實際試驗難以完成這些事故工況，故采用虛擬實驗來完成。表1為典型性的事故工況。

2.1 超載試驗

負載滿載150t，使用step函數設置負載載荷繼續增大，如圖2所示，電機驅動力矩隨之增大，鋼絲繩最終疲勞斷裂，利用仿真描述模擬。

表1 造船門式起重機兩種典型工況

圖2 載荷變化曲線

1）鋼絲繩拉力

圖3 鋼絲繩拉力曲線

由圖3得到，在0～4s時，隨著負載載荷的不斷增大，鋼絲繩的拉力也隨之增大，在4s時，由于吊重載荷超過了鋼絲繩的抗拉強度，鋼絲繩最終疲勞斷裂，拉力變為0，負載墜落。仿真過程中，鋼絲繩拉力的最大值達到1.76×106N，而在滿載平穩狀態下的拉力為1.47×106N，鋼絲繩的動載系數約為1.76/1.47=1.19，這對鋼絲繩的合理選用具有一定的參考意義。

2）小車輪接觸力

圖4 小車輪接觸力曲線

由圖4得到，在0～4s時，隨著負載載荷的不斷增大，小車輪接觸力也不斷增大，在4s時，鋼絲繩斷裂，小車輪突然卸去了負載產生的接觸力，最后在空載穩定的狀態下，雖然左右端小車輪與軌道的接觸力都大于0，但兩端的接觸力并不平衡，表明小車有橫向傾覆的趨勢。

3）大車輪接觸力

圖5 大車輪接觸力曲線

由圖5得到，與小車輪情況類似，在0～4s時，負載載荷的不斷增大致使大車輪接觸力也不斷增大，在4s時，鋼絲繩斷裂，大車輪突然卸去了負載產生的接觸力，最后在空載穩定的狀態下，前端車輪與軌道的接觸力大于后端車輪與軌道的接觸力，且均大于0，表明后輪有抬起的趨勢，但沒有脫離軌道，整機有縱向傾覆的可能性。

通過以上分析說明，由于操作者目測估算設備重量失誤，起重機未設置起重量限制器，導致鋼絲繩斷裂，負載墜落，其危害性極大。因此可采用相應的事故預防措施：提高起重機整體穩定性的設計安全裕度；提高目測估算吊載重量的能力與技巧，力求準確；安裝起重量超載限制器。

2.2 負載碰撞柔性支腿試驗

本工況造船門式起重機在吊裝過程中碰撞到柔性支腿內側，柔性支腿受到沖擊載荷，產生失穩，將負載與柔性支腿施加接觸碰撞約束。

1）小車速度

圖6 小車速度曲線

由圖6得到，當負載未與柔性支腿發生碰撞時，小車基本以額定運行速度（約333mm/s）向柔性支腿端運動，當負載與柔性支腿發生碰撞時，小車受到沖擊，速度減小，表明碰撞對整機都有不同程度的影響。

2）碰撞力

圖7 碰撞力曲線

由圖7得到，當負載與柔性支腿發生碰撞時，碰撞瞬間產生巨大的碰撞力，最大值約為2.57×106N，這對于支腿受沖擊時的穩定性分析提供了數據支撐。

3）大車輪接觸力

圖8 大車輪接觸力曲線

由圖8得到，隨著小車吊重物逐漸向柔性支腿端運動時，柔性支腿端大車輪與軌道的接觸力逐漸增大，而剛性支腿端大車輪與軌道的接觸力逐漸減小。當負載與柔性支腿碰撞時，柔性支腿端大車輪與軌道的接觸力增大到2.13×106N，剛性支腿端大車輪與軌道的接觸力減小到3.31×105N，由于碰撞產生的慣性，起重機有橫向傾覆的趨勢。

通過以上分析說明，由于負載過長，吊點位置不當，沒有調整好最佳吊裝位置，在吊裝過程中，負載沿主梁橫向移動，碰撞到支腿內側，整機有橫向傾覆的趨勢。因此，對起重機操作人員，必須進行技術和安全培訓，使其正確對各種物件進行安全的吊運工作；起重機在吊運長構件時，應采用專用的釣具，防止吊運過程中偏斜、擺動，保證負載在起升下降、左右橫行及前后縱行中的穩定性，消除安全隱患。

3 結束語

本文以300t-43mA型雙梁造船門式起重機為研究對象，基于Pro/E和ADAMS軟件建立了造船門式起重機的有限元模型，并對其進行了超載和碰撞的事故再現仿真，得到了兩種典型事故下的大小車接觸力，鋼絲繩拉力以及負載碰撞柔性支腿的力隨時間的變化情況，為造船門式起重機安全操作、研究以及評估提供了技術支持。

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