船用甲板起重机主体结构强度的有限元分析

船用甲板起重机主体结构强度的有限元分析

周立尉

惠州深能港务有限公司广东惠州516081

摘要：针对某型船用甲板起重机的主体结构，利用有限元软件建立主体结构的有限元模型，并进行载荷计算和工况分析，计算得到结构各个工况应力值，同时参照规范的要求，对结构设计的合理性进行判定。表明采用有限元方法进行结构强度分析能提高设计效率。

关键词：甲板起重机；有限元；结构强度

Finiteelementanalysisformainstructureofdeckcraneonship

【Abstract】Forthemainstructureofonetypeofdeckcraneonship,builtthestructurefiniteelementmodelbyfiniteelementsoft.Withthecalculateloadandanalysisloadcase,togetthestressresultofmainstructure,andrefertotherequiredofrules,estimatedrationalityofstructuredesign.Toknownthatitcouldadvancedesignefficiencythroughstructureintensityanalysisbyfiniteelementmethod.

【keywords】DeckcraneFiniteelementIntensityanalysis

引言

船用甲板起重机主体结构包含与船体相接的圆筒、甲板起重机回转转台和布置变幅与起升滑轮的人字架结构；主要应用于船上物料、配备有抓斗和吊钩，可用于船舱和甲板上小量的货物装卸。甲板起重机主体结构强度设计的合理与否将影响起重机整机工作的可靠性，因此对主体结构进行有限元强度分析来反映结构设计的合理性。文中通过对某10t船用甲板起重机的分析，详细了解起重机工作和非工作时，主体结构在最危险工况下的应力分布和强度条件判定，为主体结构的强度和结构设计提供依据。

1、起重机主要技术参数

本研究以某型船用10t起重机为例，其整机工作级别为A5，利用等级为U5，载荷情况为Q2。起重机额定起重量为10t，其中包含抓斗自重4.9t。起升速度满载为30m/min，空载为45m/min，回转速度为1.5r/min，回转制动时间为6s，最大和最小工作幅度分别为20m和7.1m，此时人字架头部起升滑轮水平夹角θ7和θ8分别为14.6和72.4°。左右起升卷筒水平夹角θ1和θ2分别为28.3和32.6°，变幅卷筒水平夹角θ3为67.7°，起升导向轮上水平角θ4为87.8°，变幅导向轮下竖直夹角θ5和上竖直夹角θ6分别为22.3和9.4°。其中转台上布置的起升机构重为1.6t，变幅机构重为1.2t和配重15t。在主体结构载荷工况计算时考虑船舶横倾5°和纵倾2°，工作风速为20m/s和非工作风速为55m/s。

2、主体结构分析模型

采用Hyperworks软件进行有限元分析，该软件具有杰出的有限元分析前后处理平台，拥有全面的CAD和CAE求解器接口，强大的几何清理和网格划分功能，能够高效地建立各种复杂的有限元模型。导入CAD壳单元模型，进行几何清理、材料属性设置和网格划分等。

根据起重机主体结构的总体布置特点，将起升系统、变幅系统和滑轮组的作用力通过各个系统的基座作用在主体结构上，进而简化主体结构的分析模型如图1所示，其中各个系统的作用力示意如图1所示。模型是在有限元软件中采用壳单元(shell)、梁单元(beam)和质量单元(mass21)为基础建立。起重机主体结构采用Q345D钢材，钢材在50mm板厚以下，屈服强度为345Mpa，强度极限为550Mpa，根据中国船级社(CCS)规范取静载工况、动载工况和特殊载荷工况的安全系数分别为1.5、1.33和1.15得到，主体结构材料的许用应力分别为226Mpa、259Mpa和300Mpa。

3、工况分析及边界条件

3.1载荷计算

首先按CCS的《船舶与海上设施起重设备规范》表3.2.4.1取作业系数=1.2，按3.2.5.1计算起升系数=1.15，额定起重量G=10t，以及10t甲板吊抓斗采用n=2根钢丝绳荷载，计算单根钢丝绳的动态拉力；再根据人字架和转台结构上左右起升卷筒、变幅卷筒、左右起升导向轮和人字架头部起升滑轮力以及变幅导向轮的各个滑轮和卷筒上钢丝绳在7.1m和20m幅度夹角大小和几何关系计算主体结构上滑轮和卷筒的受力；同时，在工作风压250Pa和非工作风压1854Pa，分别沿着或垂直转台主梁作用时，得到各个状态下转台人字架受的风载荷；按CCS规范，在船舶横倾和纵倾时，船上设备受到的惯性载荷的方式，可得在船舶横倾5度，纵倾2度，起重机工作状态惯性力，以及非工作状态，起重机放置，船舶静横倾30度，且受垂直于甲板和前后方向或横向平行甲板加速度。

3.2边界条件

根据起重机主体结构在船体上的装配关系，约束圆筒下脚与主船体焊接部位的UX、UY、UZ、Rox、Roy和Roz的六个自由度。

3.3工况组合

根据《船舶与海上设施起重机规范》中3.2.14.3起重机有风状态，考虑实际作业情况钢丝绳的摆角，起升动载系数和作业系数；3.2.14.4起重机处于放置状态，考虑船舶倾斜和暴风的影响；得到人字架转台的工况如下，以钢丝绳摆角方向与船舶倾斜方向一致。根据臂架在20m或7.1幅度垂直或平行纵剖面，船体横倾5°，纵倾2°，钢丝绳外摆或内摆加侧摆，同时受风载荷作用，分为工况1到8；臂架平行纵剖面放置状态，船舶静横倾30°，动纵倾，暴风沿着或垂直转台主梁作用，分为工况9到12。

4、分析结果

按以上工况中，组合的载荷和约束条件，进行软件有限元的分析处理，然后在有限元后处理软件中提取船用甲板起重机各工况下的最大应力，起重机主体结构在工况1到12的最大应力分别为227.7Mpa、183.4Mpa、221.3Mpa、198.2Mpa、218.5Mpa、181.2Mpa、221.6Mpa、189.2Mpa、241.8Mpa、208.6Mpa、266.2Mpa和227.0Mpa；分别位于人字架头部平台下加强与矩形钢连接处、转台主梁下翼板与圆筒连接板处和转台主梁下翼板与圆筒连接板处。主体结构在臂架分别在20m、7.13m和放置非工作状态的最大应力云图，应力云图如图2～图4所示。

5、结论

在工作工况1-8时材料的许用应力为259Mpa，暴风工况9-12时材料的许用应力为300Mpa；工作工况人字架与转台结构最大应力为227.7Mpa，位于人字架头部平台下加强与矩形钢连接处，暴风工况人字架与转台结构最大应力为266.2Mpa，位于转台主梁下翼板与圆筒连接板处，综上知船用起重机主体结构人字架与转台的强度设计满足《船舶与海上设施起重机规范》强度要求。采用有限元软件对船用起重机主体结构进行强度分析，可以直观形象的反应结构的应力和应变，为结构设计者提供结构强度依据，针对不合理的结构设计在生产设计之前进行改进，能够较大的提高设计效率和可靠性。

参考文献

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