船用直臂式起重機吊臂的分析和優(yōu)化

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(江蘇科技大學機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

船用起重機是在船用平臺上的一種起重設(shè)備，能夠滿足特殊的工作要求，其在船用平臺上應用廣泛?，F(xiàn)在，船用起重機的要求也在不斷提高，結(jié)構(gòu)越來越輕便化，更多地結(jié)合實際工況來提高吊機的可靠性、經(jīng)濟性和功能性[1]。

章伊華等[2]利用有限元分析軟件對桅桿起重機的主門架進行了分析，驗證了設(shè)計的合理性。徐磊等[3]對載荷的施加和邊界的約束做了說明。王芝明[4]等使用有限元對桅桿式起重機吊臂組在不同工況下的穩(wěn)定性做了研究。宋秋紅等[5]將設(shè)計過程與有限元結(jié)合在一起，研究各參數(shù)對吊臂性能的影響。但是船用起重機除了需滿足起重機的相關(guān)標準和規(guī)范的要求外，還要滿足我國船級社關(guān)于起重設(shè)備的相關(guān)規(guī)范要求。在此，以15 t直臂式船用起重機為研究對象，根據(jù)《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》[6]《起重機設(shè)計手冊》[7]等相關(guān)規(guī)范，對吊機的吊臂進行規(guī)范化分析[4]。利用SolidWorks，ANSA以及ABAQUS軟件進行分析求解，對結(jié)構(gòu)不合理區(qū)域進行改進，最后對改進后的結(jié)構(gòu)進行強度和穩(wěn)定性分析，檢驗設(shè)計的可靠性。

1 船用起重機吊臂結(jié)構(gòu)

船用起重機一般都是固定在船舶甲板上的，也有移動式的。固定的船用起重機分為3種：直臂式船用起重機、折臂式船用起重機和伸縮臂式船用起重機[8]。直臂式船用起重機一般由底座、轉(zhuǎn)臺和吊臂組成。直臂式船用起重機的吊臂一般采用板材焊接而成，內(nèi)部有加強肋板，外部由板材焊接成外殼，具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高和起升重量大的特點。

15 t直臂式船用起重機吊臂結(jié)構(gòu)如圖1所示，其末端E處通過鉸鏈固定在轉(zhuǎn)臺上，吊臂前端與滑輪組連接，中間位置D處是液壓缸安裝的鉸點。船用起重機吊臂吊裝重物時所受到的載荷，主要有貨物載荷和吊機自重載荷。起吊貨物的過程中，吊臂E點處被鉸鏈軸約束，吊臂D點處受到液壓缸的一個推力，吊臂滑輪組處受到起吊重物Q的重力載荷，此外還有吊臂的自重。

圖1 吊臂結(jié)構(gòu)示意(單位mm)

2 吊臂強度及穩(wěn)定性分析

2.1 有限元模型

首先使用SolidWorks軟件建立吊臂和前端滑輪組的三維CAD模型，接著使用ANSA軟件對吊臂和前端滑輪組進行網(wǎng)格劃分，ANSA網(wǎng)格劃分前做抽中面處理。網(wǎng)格劃分如圖2所示。有限元模型的單元選取、特性及其建模網(wǎng)格劃分等原則，根據(jù)船級社規(guī)范嚴格按CCS 《油船結(jié)構(gòu)強度直接計算指南》[9]執(zhí)行。網(wǎng)格劃分全部為四邊形網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為146 114，網(wǎng)格尺寸為20 mm，選擇S4殼單元。

圖2 網(wǎng)格劃分

在ABAQUS中使用Tie將吊臂和滑輪組的接觸面剛性連接，吊臂主體和液壓缸安裝位置也使用Tie剛性連接。吊臂末端E處約束自由度，僅UZ自由度不限制。液壓缸安裝位置D使用Coupling耦合到一點，同樣約束除UZ以外的自由度。有3處載荷施加，貨物重量施加在滑輪組的下滑輪使用Coupling耦合的點上，液壓缸的推力施加在液壓缸安裝位置D點處，使用Coupling耦合到一點上。載荷根據(jù)實際的位置關(guān)系分解成水平和垂直2個分量。吊臂的重力通過設(shè)置材料密度和重力加速度來自動加載[10]。

2.2 強度分析

該吊機吊臂的材料為船用AH36鋼材，其屈服極限為355 MPa。吊臂的應力云如圖3所示。由圖3可知，最大應力為310.9 MPa。

圖3 應力云圖

當鋼材的屈服強度σs大于抗拉強度σb的70%時，屈服強度σs應該除以系數(shù)β進行修正，系數(shù)β按表1選取。

表1 系數(shù)β

修正系數(shù)選取為1.155，修正后屈服強度為307 MPa，安全系數(shù)取1.5，則許用應力204 MPa。由圖3可以看出最大應力值大于許用應力。

計算可以得到圖1中A截面和B截面(4 000 mm處)是最危險的截面。所以對A截面和B截面按照船級社規(guī)范進行校核。通過理論計算得到B截面的最大應力為123.14 MPa，有σ<[σ]，B截面的強度是符合要求的。取有限元模型B截面的1圈節(jié)點，繪制其應力-節(jié)點的關(guān)系圖，如圖4所示。

圖4 B截面應力

圖4中，有限元計算的平均應力值為45.5 MPa，而理論計算的應力值為123.14 MPa。這是因為理論計算中沒有考慮B截面處加強肋板的加強作用，因此有限元計算的結(jié)果只有理論計算的36.95%，這說明在B截面處，加強肋板起到了加強外殼強度的作用。由于B截面處的加強肋板是U型板，所以在U型加強肋板上端開口與外殼接觸的地方出現(xiàn)了超出許用應力的情況。

根據(jù)船級社規(guī)范計算可得A截面的最大應力為109.04 MPa，有σ<[σ]，A截面的強度是符合要求的。A截面1圈節(jié)點的應力-節(jié)點關(guān)系如圖5所示。有限元計算的平均應力值為41.3 MPa，理論計算的應力值為109.04 MPa。有限元計算的結(jié)果只有理論計算的37.88%，滿足設(shè)計要求。

圖5 A截面應力

吊臂外殼的應力沿X軸軸向分布如圖6所示。側(cè)面外殼的最大應力出現(xiàn)在A截面處，頂面的最大應力出現(xiàn)在B截面處，這與之前的A截面和B截面是危險截面相符合。

圖6 吊臂外殼應力

但是，底面最大應力出現(xiàn)在B截面右側(cè)570 mm處，即圖1中C截面處，取C截面(4 570 mm)處1圈節(jié)點做應力-節(jié)點關(guān)系圖，如圖7所示。圖7中超出許用應力的部分就是液壓缸的安裝位置，由于此處有液壓缸作用力施加在這里，并且在C截面沒有加強肋板，所以在底面外壁出現(xiàn)了應力超過許用應力的情況。

圖7 C截面應力

2.3 穩(wěn)定性分析

按照規(guī)范要求，吊臂相對于軸向歐拉臨界壓力的穩(wěn)定性安全系數(shù)n應不小于表2規(guī)定，其軸向壓力p[6]：

(1)

m為系數(shù)，按表3選??；E為鋼材彈性模量；J0為吊貨桿中部剖面慣性矩；n為穩(wěn)定性安全系數(shù)，按表2選??；L為吊臂長度。

表2 吊臂穩(wěn)定性安全系數(shù)n

注：a為吊臂中部一段的長度；J1為吊臂端部斷面的慣性矩。

根據(jù)產(chǎn)品加工圖紙，系數(shù)m根據(jù)表3取為6.35，穩(wěn)定性安全系數(shù)n按表2取為4.86，計算可得軸向壓力p=33 802 kN。

本吊臂方形截面鋼板的臨界壓力值σcr為332 MPa，根據(jù)加工圖紙可計算出方形截面的面積為A=66 720 mm2，則臨界軸向壓力為：

pcr=σcr×A

(2)

計算可得pcr=22 151 kN。

吊臂軸向壓力穩(wěn)定性安全系數(shù)為:

(3)

計算可得n=1.53。

根據(jù)有限元軟件求得的起重機吊臂的臨界屈曲應力pcr是安全工作負荷(SWL，其單位為kN)的1.8倍，即穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.8，而吊桿穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.53，符合船級社的規(guī)范。

2.4 強度和穩(wěn)定性計算結(jié)果分析

從上面的有限元分析中，可得：

a.從有限元分析結(jié)果看，該型吊機的吊臂的強度基本上滿足要求，但是，在U型加強肋板和液壓缸安裝位置存在局部應力大于許用應力的問題。

b.在強度計算中，由于規(guī)范中理論計算忽略了某些加強肋板的作用，因此計算結(jié)果偏保守，有限元計算的平均應力只有理論計算應力的35%～40%。且加強肋板的形狀對局部應力存在影響。

c.在穩(wěn)定性計算中，船級社規(guī)范的計算結(jié)果和有限元計算結(jié)果相差不大。

3 吊臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

吊臂使用鋼板焊接，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程中，出于對成本和制作簡便的要求，對于壁厚和外形不做優(yōu)化，主要考慮加強肋板的布置位置和肋板的形狀。根據(jù)有限元分析的結(jié)果，將吊臂的整體應力降到許用應力以下，對吊臂做以下3處優(yōu)化：將U型加強肋板更改成矩形加強肋板，如圖8所示；在C截面處添加矩形加強肋板；在B截面右側(cè)12 000 mm處添加矩形加強肋板。

優(yōu)化后應力云圖如圖9所示。吊臂全部應力都處在許用應力范圍內(nèi)，最大應力從310.9 MPa下降到200.04 MPa,下降了35.54%。這說明優(yōu)化處理對吊臂整體的結(jié)構(gòu)加強起到了明顯的作用。

圖8 U型加強肋板及優(yōu)化后矩形加強肋板(單位mm)

圖9 應力云圖

由于沒有修改原有加強肋板的間距，所以優(yōu)化后對吊臂外壁應力的分布趨勢沒有明顯的影響，但在各個面上的應力最大值和均值都有下降。側(cè)面外壁的整體的最大值變化不大，但是由于B截面右側(cè)12 000 mm處增加的加強肋板，所以在該處的應力比優(yōu)化前的原有應力下降了61.05%。

B截面和A截面在優(yōu)化前后的應力最大值和均值對比如表4所示。因為整體強度的提高，A截面的應力最大值和均值下降8%。B截面處改變了加強肋板的形狀，使得整個頂面外壁都得到加強肋板的支撐，B截面應力最大值下降了31.09%。應力最大值已經(jīng)明顯下降，整個截面都在許用應力范圍內(nèi)。這些都表明B截面處的加強肋板的形狀優(yōu)化是有效的。

C截面處的添加加強肋板后應力-節(jié)點關(guān)系趨勢和優(yōu)化前相似。但是優(yōu)化后在液壓缸安裝位置的應力值有了明顯下降，且都低于許用值。由表4可知，C截面的應力最大值下降了27.71%，平均值比優(yōu)化前下降了17.34%。在C截面處添加的加強肋板有效地解決了液壓缸安裝位置處的應力超過許用應力的問題。

在優(yōu)化后得到的臨界屈曲應力pcr是安全工作負荷2.6倍，即有限元軟件求得穩(wěn)定性系數(shù)為2.6，優(yōu)化后的穩(wěn)定性系數(shù)比優(yōu)化前提高了44.44%，遠遠高于吊桿穩(wěn)定性安全系數(shù)，符合船級社規(guī)范要求。

4 結(jié)束語

對于吊機吊臂進行合理的結(jié)構(gòu)簡化，建立吊臂的有限元模型，并使用ABAQUS進行有限元求解。

根據(jù)有限元計算得到的結(jié)果，分析加強肋板對吊臂外壁各面的作用，以及加強肋板的位置和形狀對整體結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性的作用，指導優(yōu)化布局加強肋板的布置位置和修改加強肋板的形狀。

本文所運用的有限元建模及分析方法，可以用于研究其他類似結(jié)構(gòu)的起重機的強度和穩(wěn)定性等，可以為船用起重機的校核提供借鑒。