卷揚式升船機承船平臺有限元分析研究

汪偉

中船第九設計研究院工程有限公司

卷揚式升船機承船平臺有限元分析研究

汪偉

中船第九設計研究院工程有限公司

1 引言

卷揚式升船機利用排列在港池兩側的卷揚機吊點裝置，提升或放下坐船的承船平臺，完成小到中型船舶的上排下水作業(yè)。相對斜船架等傳統(tǒng)的下水設備，卷揚式升船機具有效率高、操作方便等優(yōu)點。

在作業(yè)過程中，船舶在承船平臺上落墩。作為升船機主要的受力構件，平臺結構的強度和剛度與設備使用安全性密切相關，是設計人員需要重點考慮的問題。首先應用耦合和接觸算法對帶動滑輪架的承船平臺進行整體建模分析。在此基礎上，利用耦合和接觸分析結果作為輸入條件，對動滑輪架進行進一步詳細分析，從而發(fā)現(xiàn)原始設計缺陷并改進。

2 建模分析

ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件，是世界范圍內增長最快的計算機輔助工程（CAE）軟件，能與多數(shù)計算機輔助設計（CAD，computer Aided design）軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換。下面的有限元分析在Ansys平臺進行。

2.1 整體建模分析

(1)主要結構特征

承船平臺主要由吊點梁、軌道梁、聯(lián)系梁等組成。其中箱型結構吊點梁為主承載構件，內部布置隔板及角鋼以加強其剛度。吊點梁兩端通過銷及螺栓副與動滑輪組件聯(lián)系，如圖所示。作業(yè)時，吊點卷揚機通過收放纏繞在動滑輪組上的鋼絲繩來提升或放下平臺；移船時，通過氣動銷插入動滑輪架上部的銷孔來固定承船平臺。

圖1 平臺與動滑輪組件裝配圖

(2)建模

三個吊點梁組成一個小的主動平臺，這里對主動平臺進行剛度和強度分析?？紤]到對稱性，采用Ansys apdl對主動平臺進行四分之一建模，模型對稱面施加對稱約束。模型中包括中間平臺，動滑輪架，隨船小車。其中中間平臺、動滑輪架及隨船小車采用殼單元進行模擬。中間平臺與動滑輪架之間通過銷軸連接，銷軸采用實體單元模擬。隨船小車與平臺之間建立接觸對。中間平臺、銷軸及動滑輪架之間兩兩建立接觸對。動滑輪架與平臺之間螺栓連接處節(jié)點耦合位移自由度，模擬螺栓副。

圖2 1/4主動平臺有限元模型

(3)工況及約束條件

這里只研究平臺落銷的工況。此時氣動銷的銷體插入動滑輪架上部銷孔，平臺整體坐在氣動銷上，為移船做好準備。動滑輪架與氣動銷接觸梨形孔處節(jié)點約束X、Y、Z方向位移。船舶作用在隨船小車上，簡化為均布載荷作用在小車上表面。

表1 落銷時動滑輪架受外力（單位：N）

(4)計算結果

基于以上模型、載荷及約束，同時考慮了材料的非線性效應，經過計算得到了整體結果的應力及變形云圖。豎直方向最大位移位于吊點梁中心位置，如圖所示，最大撓度/跨度比小于1/750；最大主體應力200MPa，應力云圖略。應力及變形均符合設計要求。

圖3 主動平臺豎直方向位移云圖

根據(jù)以上計算結果取得動滑輪架在氣動銷孔的約束外力；各螺栓副處耦合點的外力；及平臺銷孔處接觸外力，如表1所示。獲取的數(shù)值作為后續(xù)動滑輪架的輸入載荷進行詳細計算。

2.2 動滑輪架詳細建模分析

(1)建模

動滑輪架結構較為簡單，而且是重要的受力構件，有必要對其進行詳細分析。利用Ansys與Creo的接口，將Creo模型導入An?sys workbench，生成實體單元進行分析。

(2)工況及約束條件

圖4 動滑輪架有限元模型

將表格1的結果，作為氣動銷孔、上下螺栓、平臺聯(lián)接銷孔處作用力輸入模型，同時在動滑輪孔施加cylindrical support約束，保證動滑輪架處于全約束狀態(tài)。

(3)計算結果

計算中發(fā)現(xiàn)動滑輪架上部腹板直角處存在應力集中現(xiàn)象，將其更改為圓角，并重新進行計算，結果顯示應力集中大為改善。改進后的應力結果如圖所示，主體應力小于277MPa，符合設計規(guī)范要求。

圖5 動滑輪架等效應力云圖

3 結束語

基于有限元軟件Ansys，根據(jù)其結構特征，首先采用殼單元對帶動滑輪架的承船平臺進行整體分析。在此基礎上，將分析結果輸出耦合節(jié)點力及接觸力作為動滑輪架詳細分析的輸入條件。根據(jù)實際需要，分析過程采用由粗到細的步驟進行。發(fā)現(xiàn)了動滑輪架原始設計的缺陷，提出修改意見，并再次分析驗證。

[1]金龍，李宜燃，王敏.升船機承船廂結構有限元分析研究[J].機電工程，2014(4):466-469

[2]王晉媛，石端偉，鮑務均.三峽升船機承船廂的有限元分析[J].水利電力機械，2000(6):41-42

Study on Finite Element Analysis of Shilift Platform

Wang Wei
China Shipbuilding NDRI Engineering CO.,LTD

卷揚式升船機是船廠中一種高效的上排下水設備。承船平臺作為升船機主要的受力構件，其結構強度和剛度與設備使用安全性密切相關。首先應用耦合和接觸算法對帶動滑輪架的承船平臺進行整體建模分析。進一步取得動滑輪架的詳細分析結果，并指導改進設計。

卷揚式升船機；承船平臺；有限元分析

Hoisting shiplift is a type of efficient ship launching and retrieve equipment.As main bearing structure,the strength and rigidity of ship carrying platform highly concern the security of the whole equipment.Firstly,the platform with free pulley block frame is modeled.The coupling and contract algorithm are adopted to simu?late the connections.Moreover,the free pulley block frame is ana?lyzed detailed to improve the design.

Hoisting shiplift；platform；FEA

汪偉（1983-），男，碩士研究生，機械工程師，主要從事非標設備設計。