基于ANSYS的大型浮吊結構有限元分析

撰文/大連華銳重工集團股份有限公司設計研究院 王蕾 齊桂營 王偉

基于ANSYS的大型浮吊結構有限元分析

撰文/大連華銳重工集團股份有限公司設計研究院 王蕾 齊桂營 王偉

本文基于通用有限元軟件ANSYS對深水半潛式起重鋪管船用2×8000t全回轉起重機結構進行有限元分析，根據規(guī)范要求對其強度、剛度和穩(wěn)定性進行校核，為結構的進一步優(yōu)化提供理論指導和有效依據，同時也為同類設備以及配套項目的相關研究提供參考。

一、引言

近年，海洋工程、海上運輸等產業(yè)的興起，促使與之配套的大型浮式起重機（簡稱浮吊）迅速發(fā)展。跨海大橋及海洋石油開發(fā)平臺的建造、大型海洋裝備的運輸及安裝等工程，不僅對浮吊起重量和起升高度的要求大大提高，而且要求其具有遠洋自航能力。

本文所研究的深水半潛式起重鋪管船用2×8000t起重機按照相關海工標準和規(guī)范中的重型起重機標準進行設計，但起重量和回轉起重力矩等各方面技術參數已遠超現有起重機，并且作業(yè)海況（中國南海）與相關標準中的規(guī)定無法完全吻合，為保證該起重機的作業(yè)安全性，需要通過仿真技術對該起重機結構進行分析和驗證。

1.結構設計特點

本次研究的起重機具有起重量大、工作幅度大、工作速度快、深水作業(yè)以及全回轉等特點，鋪管船上安裝有兩臺8000t起重機，可以單獨或者聯合作業(yè)，每臺起重機配有兩個4000t主鉤、一個1000t副鉤和一個200t小鉤，最大作業(yè)水深3000米，主要作業(yè)海域為中國南海。

2.本文主要工作

本文工作內容主要有以下五項。

（1） 基于ANSYS商用軟件，建立深水半潛式起重鋪管船用2×8000t起重機有限元模型。

（2） 按照CCS標準進行載荷定義、載荷計算以及載荷組合。

（3） 對起重機結構進行有限元分析，提取各工況下的結構應力和位移分布。

（4） 根據起重機設計規(guī)范，校核各關鍵部位強度、剛度及穩(wěn)定性。

（5） 對計算分析和校核結果進行匯總，為同類設備以及相關配套項目的后續(xù)研究提供參考。

二、有限元模型

圖1所示為深水半潛式起重鋪管船用2×8000t起重機的整機有限元模型，主要由臂架、人字架、回轉平臺和變幅鋼絲繩四部分組成，單元類型主要有三維線性有限應變梁單元BEAM 188、集中質量單元MASS 21和桿單元LINK 10等。

采用笛卡爾坐標系進行建模，XY平面為變幅平面，Y為豎直方向，Z為變幅平面法向；鉸點采用節(jié)點耦合，約束5自由度，具有單軸旋轉自由度；變幅鋼絲繩采用桿單元來模擬，兩端點處具有三軸旋轉自由度；回轉平臺底部約束為僅受壓；反滾輪支架約束為僅受拉；起升鋼絲繩以節(jié)點力的形式施加到相應的位置上進行模擬。

圖1　臂架仰角71°模型

三、結構材料選用

浮吊主要在海上作業(yè)，風、浪、船體運動及吊物自重都會對結構產生作用力，使起重機結構產生很大的應力和變形，所以在浮吊的結構設計過程中，整體結構一般采用高強度的鋼板和型鋼。

本次研究的深水半潛式起重鋪管船用2×8000t起重機的臂架桁架部分材料為Q690，臂架頭部、人字架和回轉平臺材料為D36，金屬結構材料的許用應力如表1所示。

表1　許用應力

四、載荷定義和計算

起重機在設計與分析過程中應考慮如下載荷：自重載荷、起升載荷、因船體運動產生的慣性載荷、因船體傾斜產生的側傾載荷以及風載荷的影響，基本載荷如表2所示。

表2　基本載荷

1.自重載荷

自重載荷是指在起重機的結構、機械設備、電氣設備以及附近再起重機上的存?zhèn)}、連續(xù)輸送機及其上的物料等的重力。

2.起升系數與作業(yè)系數

本起重機根據CCS《船舶與海上設施起重設備規(guī)范2007》中的重型起重機的使用要求進行設計，因此起升系數取1.1，作業(yè)系數取1.05。

3.側傾載荷

側傾載荷Pc代表由于船舶傾斜所產生的所有載荷，其中起升載荷產生的水平力為：1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）×tan2°，同時重力加速度按照船體傾斜2°（空載時20°）進行同步分解。

4.回轉與變幅慣性載荷

回轉與變幅慣性載荷根據回轉、變幅速度及啟制動時間進行計算，將通過計算得出的角加速度施加于整體鋼結構，同時起升載荷慣性力作為集中載荷施加于臂架頭部相應位置。

5.風載荷

工作風速為17.1m/s，非工作風速為51.4m/s，作用在起升載荷上的風力按照公式：進行計算，安全工作負荷如表2所示。

五、載荷工況和載荷組合

1.載荷工況

起重機設計應考慮下列四類工況。

（1）I類工況：起重機工作于無風狀態(tài)。

（2）II類工況：起重機工作于有風狀態(tài)。

（3）III類工況：起重機處于放置狀態(tài)。

（4）IV類工況：起重機承受特殊載荷。

2.載荷組合

（1） 組合1：主鉤8000t，臂架仰角71°，I類工況：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）。

（2） 組合2：副鉤1000t，臂架仰角38°，I類工況：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）。

（3） 組合3：小鉤200t，臂架仰角22°，I類工況：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）。

（4） 組合4：主鉤8000t，臂架仰角71°，II類工況：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）+Fwx+PHb。

（5） 組合5：主鉤8000t，臂架仰角71°，II類工況：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）+Fwz+PHh。

（6） 組合6：主鉤3100t，臂架仰角57°，II類工況：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）+Fwx+PHb。

（7） 組合7：主鉤3100t，臂架仰角57°，II類工況：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）+Fwz+PHh。

（8） 組合8：主鉤1300t，臂架仰角39°，II類工況：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）+Fwx+PHb。

（9） 組合9：主鉤1300t，臂架仰角39°，II類工況：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）+Fwz+PHh。

（10）組合10：副鉤1000t，臂架仰角38°，II類工況：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）+Fwx+PHb。

（11）組合11：副鉤1000t，臂架仰角38°，II類工況：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）+Fwz+PHh。

（12）組合12：小鉤200t，臂架仰角22°，II類工況：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）+Fwx+PHb。

（13）組合13：小鉤200t，臂架仰角22°，II類工況：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）+Fwz+PHh。

（14）組合14：空載，臂架仰角0°，III類工況：DL+Pc+Fswx+PHx+PHy。

（15）組合15：空載，臂架仰角0°，III類工況：DL+Pc+Fswz+PHy+PHz。

（16）組合16：試驗，臂架仰角71°，IV類工況：DL+1.1×SWL+Gg+Gs。

六、有限元分析結果

圖2～圖5所示為典型工況的結構應力與變形云圖。

圖2　載荷組合1應力云圖

圖3　載荷組合2應力云圖

圖4　載荷組合3應力云圖

圖5　荷組合1垂直變形云圖

表3　強度計算結果匯總（單位：N/mm2）

七、校核計算

1.壓桿穩(wěn)定性分析

表4所示為結構的壓桿穩(wěn)定性分析。

表4　壓桿穩(wěn)定性計算

2.臂架整體穩(wěn)定性分析

表5所示為臂架結構整體穩(wěn)定性分析。

表5　整體穩(wěn)定性計算

穩(wěn)定系數φx0.838 φy0.856軸向力N（N）1.05E+08強軸彎矩Mx（N·mm）1.07E+10弱軸彎矩My（N·mm）7.03E+09強軸抗彎模量Wx（mm3）1.24E+09弱軸抗彎模量Wy（mm3）6.35E+08計算結果σ（N/mm2）3.78E+02判定結果Judgement Ok

八、結語

本文基于通用有限元軟件ANSYS對深水半潛式起重鋪管船用2×8000t起重機結構進行了有限元分析，提取了16組載荷組合下的結構應力和位移分布，并根據相關規(guī)范和標準對計算結果進行了校核和匯總，為該起重機結構的設計和進一步優(yōu)化提供了有效依據，同時也為后續(xù)相關研究工作奠定了基礎。