造船門式起重機結構應力測試與對比分析

王遠友 許成斌 殷 鵬 徐兆光 岳增可 王 欣

1 大連船舶重工集團有限公司2 大連理工大學機械工程學院

1 引言

造船用門式起重機是造船港口碼頭常見的船體吊載裝配設備。隨著運輸船舶日趨大型化，造船用門式起重機正朝著大型化、高速化、重載化方向發(fā)展。起重機金屬結構是起重機的主要承載部件，也是起重機最主要的組成部分。起重機金屬結構是典型的焊接箱型結構，在交變載荷作用下會出現(xiàn)疲勞損傷，當疲勞損傷累積到一定程度時，起重機金屬結構便會發(fā)生疲勞斷裂，造成災難性事故。對大型化、老齡化的起重機而言，疲勞破壞引起的事故更容易發(fā)生，存在較大的安全隱患，一旦發(fā)生事故，將會造成重大的人員傷亡，帶來巨大的經(jīng)濟損失和社會影響。

為了準確地對起重機疲勞壽命進行預測，許多學者對疲勞壽命的預測方法進行了研究與改進，隨著人們對疲勞機理研究的深入，現(xiàn)在已發(fā)展出多種疲勞壽命預測的方法。T-Ghidini等通過對不同材料構件在不同載荷下進行實驗，論證了運用斷裂力學理論進行構件疲勞壽命預測的可行性[1]；李鵬等通過對橋式起重機主梁的實測應力時間歷程數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得到了主梁的應力幅譜，根據(jù)名義應力法預測起重機結構的疲勞壽命[2]；吳曉等以Paris公式的等幅載荷疲勞裂紋擴展壽命計算公式為基礎，結合Miner線性累積損傷理論，推導了一種用于變幅和隨機載荷的起重機金屬結構疲勞壽命計算模型[3]。

本文以使用多年的440 t級造船門式起重機為研究對象，對起重機鋼結構進行載荷試驗，目的是了解長期使用對結構應力水平的影響，驗證有限元模型建立的可行度[4-5]，為后續(xù)疲勞分析提供合理的計算模型。

2 應力測試方案

本次試驗對象為440 t級造船門式起重機的主梁和剛腿，試驗用數(shù)據(jù)采集儀器及元件見表1。

應變測試共3組，18個測點，布置位置見圖1，其中，組1、組2位于主梁跨中處；組3位于剛腿與主梁連接附近。測點的選擇相互對稱，便于結果對比分析，并在焊縫附近，可以了解焊縫附近的應力水平。

表1 試驗主要的設備與儀器

圖1 測點位置

進行2次實物載荷試驗。每次載荷試驗時，負載都是從柔腿側起升，然后向跨中和剛腿側移動。負載在柔腿側、跨中和剛腿側時，相對靜止一定時間，記錄測試值。共獲得5個測試工況，見表2。表2中實際載荷是從起重機的力限器系統(tǒng)中讀取。同次吊裝時，載荷數(shù)值存在一定的差異，這與力限器的測量誤差有關。

表2 各工況詳細情況表

3 有限元計算模型與計算

采用Shell181殼單元和Beam188梁單元等進行結構的主梁(殼單元)、剛腿(殼單元)和柔腿(梁單元)的有限元建模。柔腿頂部與主梁采用耦合方式連接。整體結構(承壓板、橫隔板、腹板等)采用四邊形和三角形網(wǎng)格劃分單元，單元總數(shù)280 066，節(jié)點總數(shù)275 791。

考慮到起重機支腿為一剛一柔，以及起重機在實際作業(yè)時大車車輪既不能脫離又不能偏離大車軌道的實際情況，對剛性支腿一端約束起重機高度方向UY、軌道方向UZ以及主梁軸線方向UX的位移約束；柔性腿處也約束UX、UY、UZ這3個方向位移。模型載荷包括小車機構自重和負載，不考慮結構自重。載荷以節(jié)點載荷方式施加在主梁上小車機構各車輪與主梁軌道的接觸處。結構有限元模型及載荷、約束情況見圖2(以工況2為例)。

圖2 結構有限元模型

根據(jù)上述測試工況進行有限元計算，獲得工況2的應力與位移云圖，見圖3～5。

圖3 工況2下X方向應力云圖

圖4 工況2下Y方向位移云圖

圖5 工況2下X方向位移云圖

4 結果對比分析

主梁和剛腿測點的有限元結果與測試結果及對比見圖6和表3。個別測點存在數(shù)據(jù)漂移情況，對比時不計。從圖表對比中可得以下結論。

(1)同一測試工況下，主梁上對稱布置的測點應力數(shù)據(jù)基本相同。不同測試工況下，隨著負載從柔腿側向跨中和剛腿側推移，測點應力由小到大再到小的變化趨勢，符合理論分析趨勢。即測點在主梁跨中，則負載在跨中時彎矩最大，測點應力最大，在70 MPa左右。負載在柔腿側和剛腿側時，彎矩小，則測點應力也隨之減小。有限元計算值與測試值對比結果可以看出，兩者結果差異不大，表明結構在使用后的應力水平變化不大。兩者誤差普遍在±10%以內(nèi)，個別在±20%上下，而且變化趨勢相近。由此也說明了所建立的有限元的合理性。

表3 剛腿結果對比

(2)在同一測試工況下，對稱布置的剛腿測點應力基本相同。不同測試工況下，隨負載從柔腿側向跨中和剛腿側移動時，測點應力逐漸增大，因為跨中和柔腿依次遠離剛腿側，對剛腿的應力影響也小，負載在剛腿側時應力最大，在35 MPa左右。有限元計算結果與測試結果對比，由于數(shù)值基數(shù)小，1～2 MPa的變化會引起較大的誤差變化，因此采取了差值對比。兩者的應力水平相當，表明結構使用一定時期后的應力水平基本沒有變化，同時也表明有限元模型的合理性。

有限元計算值和測試值之間存在誤差的可能原因有以下3點：

(1)實際測試的載荷存在偏差，從同次載荷試驗可以看出，載荷的測試上有一定差異。

(2)實際吊裝過程中，會存在一定的風載，這在計算時未考慮。

(3)測點位置與應變片方向存在一定偏差。有限元選取的測點位置也會因網(wǎng)格劃分情況存在一定偏差。

此外，還測試了主梁跨中的撓度，與有限元計算的結果對比見表4。從表中看出，兩者的計算差異在±10%以內(nèi)，表明結構的剛度狀態(tài)良好。

表4 主梁跨中撓度對比

5 結語

通過對門式起重機鋼結構進行應力測試試驗，獲取了主梁、剛腿處的應力，結果表明其結構的應力水平與剛度狀況較好。將該應力與有限元計算結果的應力相互對比，兩者的差異性較小，表明有限元模型建立的合理性，可為進一步的疲勞模型建立與計算提供依據(jù)。