基于極限狀態(tài)法門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算

侯 朋，劉會(huì)議，鄒 湘，葛雙喜，陳鑫祎

(南通中遠(yuǎn)重工有限公司,江蘇 南通 226000)

基于極限狀態(tài)法門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算

侯 朋，劉會(huì)議，鄒 湘，葛雙喜，陳鑫祎

(南通中遠(yuǎn)重工有限公司,江蘇 南通 226000)

基于極限狀態(tài)法對(duì)某造船門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度進(jìn)行校核，依據(jù)GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)造船門式起重機(jī)的各種工作狀況進(jìn)行分析，計(jì)算不同工況的載荷并將載荷進(jìn)行組合。利用ANSYS Workbench軟件建立該造船門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型，根據(jù)載荷組合進(jìn)行有限元數(shù)值計(jì)算。結(jié)果表明：其強(qiáng)度、剛度滿足要求，為造船門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

造船門式起重機(jī);極限狀態(tài)法;載荷組合;有限元計(jì)算法

0 引言

隨著造船技術(shù)的快速發(fā)展，船舶建造廣泛采用分段建造技術(shù)，使船舶建造能力以及造船的噸位得到大幅提高。大型造船門式起重機(jī)作為船廠最為重要的生產(chǎn)設(shè)備，主要用于船舶分段的吊運(yùn)、翻身以及合攏等作業(yè)，在其中發(fā)揮著重要作用。

起重機(jī)在設(shè)計(jì)過程中，必須進(jìn)行強(qiáng)度、剛度等校核計(jì)算，以保證起重機(jī)使用過程中結(jié)構(gòu)安全。傳統(tǒng)的計(jì)算方法是采用許用應(yīng)力法，該方法考慮單一的安全系數(shù)，難以合理利用和發(fā)揮材料性能。極限狀態(tài)法采用載荷分項(xiàng)系數(shù)，計(jì)算結(jié)果更加貼近實(shí)際狀況，使設(shè)計(jì)結(jié)果更經(jīng)濟(jì)、更安全[1-2]。另外，傳統(tǒng)的計(jì)算方法進(jìn)行了各種簡(jiǎn)化與假定，難以完成復(fù)雜的分析和繁重的計(jì)算工作量，且計(jì)算結(jié)果精度差[3]。有限元法是一種求解偏微分方程邊值問題近似解的數(shù)值技術(shù)，由于其通用性和有效性，在工程結(jié)構(gòu)分析中得到廣泛的應(yīng)用[4]。使用有限元分析軟件，可以大幅提高計(jì)算速度以及精度。國(guó)內(nèi)起重機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算一般采用ANSYS軟件。由于起重機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建模難度較大，都進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化處理[5-11]，這種計(jì)算結(jié)果有一定的缺陷。本文利用ANSYS Workbench 17.1建立320 t×57 m造船門式起重機(jī)完整的有限元模型，依據(jù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，對(duì)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度進(jìn)行校核計(jì)算，具有重要的工程價(jià)值。

1 門式起重機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

320 t×57 m造船門式起重機(jī)主要由主梁、剛性腿和柔性腿組成，其中柔性支腿與主梁間采用柔性鉸鏈方式。主梁上有上小車和下小車2個(gè)小車, 上小車和下小車公用1個(gè)軌道。主梁采用雙梁結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)使用壽命為50 a。該造船門式起重機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1, 總布置圖如圖1所示。

表1 3 200 kN×57 m造船門式起重機(jī)基本技術(shù)參數(shù)

2 載荷組合計(jì)算

2.1極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法

極限狀態(tài)法[12]是使外載荷在結(jié)構(gòu)及連接接頭中產(chǎn)生的應(yīng)力和變形不超過結(jié)構(gòu)及連接接頭的極限承載能力的設(shè)計(jì)方法。

起重機(jī)在設(shè)計(jì)過程中主要考慮載荷有結(jié)構(gòu)自重、自重振動(dòng)載荷、起升載荷、起升動(dòng)載荷、運(yùn)行沖擊載荷、變速運(yùn)動(dòng)引起的慣性載荷、風(fēng)載荷、雪載荷等，其強(qiáng)度可按照GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(簡(jiǎn)稱“規(guī)范”)進(jìn)行計(jì)算。

2.1.1載荷組合計(jì)算

Fi=∑φiγpiγnfi

(1)

式中：Fi為每個(gè)載荷所受的力；φi為動(dòng)力載荷系數(shù)；γpi為分項(xiàng)載荷系數(shù)；γn為高度危險(xiǎn)系數(shù)；fi為作用在結(jié)構(gòu)上的載荷。2.1.2強(qiáng)度校核計(jì)算

(2)

式中：limσ為應(yīng)力極限值；γm為抗力系數(shù)；R為材料屈服強(qiáng)度。

2.1.3剛度校核計(jì)算

(3)

式中：f為自行式小車位于主梁跨中位置，由額定起升載荷及自行式小車自重載荷在該處產(chǎn)生的垂直靜撓度；S為起重機(jī)跨度。

2.2載荷組合

起重機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮起重機(jī)的所受的載荷。按照“規(guī)范”規(guī)定：起重機(jī)的結(jié)構(gòu)計(jì)算有18 種工況，本文僅以載荷組合B為例，介紹基于極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法計(jì)算起重機(jī)組合過程。表2列出了計(jì)算起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的幾種載荷組合。表中，起升動(dòng)載系數(shù)φ1=1.11，起升動(dòng)載系數(shù)φ2=1.35，突然卸載時(shí)的動(dòng)力效應(yīng)φ3=0，運(yùn)行沖擊系數(shù)φ4=1.15，考慮起重機(jī)運(yùn)行驅(qū)動(dòng)力突變時(shí)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力效應(yīng)系數(shù)φ5=1.5。

表2采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法時(shí)門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)計(jì)算的載荷與載荷組合表

3 整機(jī)金屬結(jié)構(gòu)有限元數(shù)值計(jì)算

起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)作為起重機(jī)的骨架，支撐起重機(jī)的機(jī)構(gòu)和電氣設(shè)備，承受起重機(jī)自重以及工作載荷。造船門式起重機(jī)主要的受力部分為主梁、剛性腿、柔性腿等。起重機(jī)主要承重結(jié)構(gòu)材料為Q235B和Q345D/E, 材料彈性模量E=2.10×105MPa,泊松比u=0.3,密度ρ=7.85×103kg/m3。材料的屈服強(qiáng)度分別見表3、表4。

表3Q235B材料的屈服強(qiáng)度MPa

板厚/mm≤16gt;16～≤40gt;40～≤60gt;60～≤100gt;100～≤150屈服強(qiáng)度/MPa235225215215195

表4Q345D/E材料的屈服強(qiáng)度MPa

板厚/mm≤16gt;16～≤40gt;40～≤63gt;63～≤80gt;80～≤100屈服強(qiáng)度/MPa345335325315305

根據(jù)320 t×57 m造船門式起重機(jī)圖建立詳細(xì)的整機(jī)有限元計(jì)算模型，其模型圖如圖2所示。其中，起重機(jī)主梁、剛性腿、柔性腿采用板單元和梁?jiǎn)卧M合形式，板單元采用SHELL181單元，梁?jiǎn)卧捎肂EAM188單元。

4 計(jì)算結(jié)果

將表2載荷根據(jù)式(1)進(jìn)行組合施加，結(jié)合實(shí)際情況對(duì)模型進(jìn)行約束。計(jì)算結(jié)果詳見表5。

表5 門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算結(jié)果

式(2)中，R=345 MPa，γm=1.1。

經(jīng)計(jì)算，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力σ=308 MPa，limσ=313 MPa。

σ≤limσ，起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

式(3)中，S=57 000 mm，f=54 mm。

圖3 、圖4分別為B2載荷組合應(yīng)力云圖和位移云圖。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于極限狀態(tài)法和ANSYS Workbench軟件對(duì)320 t×57 m造船門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度進(jìn)行校核，計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求，為造船門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算提供一種可靠的計(jì)算方法。

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U653.921

A

2017-06-21

侯朋(1987—)，男，助理工程師，從事船舶及起重機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析工作；劉會(huì)議(1973—)，男，高級(jí)工程師，從事船用龍門吊、機(jī)構(gòu)學(xué)研究。