撰文/大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司設(shè)計(jì)研究院 王蕾 齊桂營 王偉

基于ANSYS的大型浮吊結(jié)構(gòu)有限元分析

撰文/大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司設(shè)計(jì)研究院 王蕾 齊桂營 王偉

本文基于通用有限元軟件ANSYS對(duì)深水半潛式起重鋪管船用2×8000t全回轉(zhuǎn)起重機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，根據(jù)規(guī)范要求對(duì)其強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行校核，為結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化提供理論指導(dǎo)和有效依據(jù)，同時(shí)也為同類設(shè)備以及配套項(xiàng)目的相關(guān)研究提供參考。

一、引言

近年，海洋工程、海上運(yùn)輸?shù)犬a(chǎn)業(yè)的興起，促使與之配套的大型浮式起重機(jī)（簡稱浮吊）迅速發(fā)展?？绾４髽蚣昂Ｑ笫烷_發(fā)平臺(tái)的建造、大型海洋裝備的運(yùn)輸及安裝等工程，不僅對(duì)浮吊起重量和起升高度的要求大大提高，而且要求其具有遠(yuǎn)洋自航能力。

本文所研究的深水半潛式起重鋪管船用2×8000t起重機(jī)按照相關(guān)海工標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中的重型起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但起重量和回轉(zhuǎn)起重力矩等各方面技術(shù)參數(shù)已遠(yuǎn)超現(xiàn)有起重機(jī)，并且作業(yè)海況（中國南海）與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定無法完全吻合，為保證該起重機(jī)的作業(yè)安全性，需要通過仿真技術(shù)對(duì)該起重機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和驗(yàn)證。

1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

本次研究的起重機(jī)具有起重量大、工作幅度大、工作速度快、深水作業(yè)以及全回轉(zhuǎn)等特點(diǎn)，鋪管船上安裝有兩臺(tái)8000t起重機(jī)，可以單獨(dú)或者聯(lián)合作業(yè)，每臺(tái)起重機(jī)配有兩個(gè)4000t主鉤、一個(gè)1000t副鉤和一個(gè)200t小鉤，最大作業(yè)水深3000米，主要作業(yè)海域?yàn)橹袊虾！?/p>

2.本文主要工作

本文工作內(nèi)容主要有以下五項(xiàng)。

（1） 基于ANSYS商用軟件，建立深水半潛式起重鋪管船用2×8000t起重機(jī)有限元模型。

（2） 按照CCS標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行載荷定義、載荷計(jì)算以及載荷組合。

（3） 對(duì)起重機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，提取各工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移分布。

（4） 根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范，校核各關(guān)鍵部位強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性。

（5） 對(duì)計(jì)算分析和校核結(jié)果進(jìn)行匯總，為同類設(shè)備以及相關(guān)配套項(xiàng)目的后續(xù)研究提供參考。

二、有限元模型

圖1所示為深水半潛式起重鋪管船用2×8000t起重機(jī)的整機(jī)有限元模型，主要由臂架、人字架、回轉(zhuǎn)平臺(tái)和變幅鋼絲繩四部分組成，單元類型主要有三維線性有限應(yīng)變梁單元BEAM 188、集中質(zhì)量單元MASS 21和桿單元LINK 10等。

采用笛卡爾坐標(biāo)系進(jìn)行建模，XY平面為變幅平面，Y為豎直方向，Z為變幅平面法向；鉸點(diǎn)采用節(jié)點(diǎn)耦合，約束5自由度，具有單軸旋轉(zhuǎn)自由度；變幅鋼絲繩采用桿單元來模擬，兩端點(diǎn)處具有三軸旋轉(zhuǎn)自由度；回轉(zhuǎn)平臺(tái)底部約束為僅受壓；反滾輪支架約束為僅受拉；起升鋼絲繩以節(jié)點(diǎn)力的形式施加到相應(yīng)的位置上進(jìn)行模擬。

圖1　臂架仰角71°模型

三、結(jié)構(gòu)材料選用

浮吊主要在海上作業(yè)，風(fēng)、浪、船體運(yùn)動(dòng)及吊物自重都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用力，使起重機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的應(yīng)力和變形，所以在浮吊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，整體結(jié)構(gòu)一般采用高強(qiáng)度的鋼板和型鋼。

本次研究的深水半潛式起重鋪管船用2×8000t起重機(jī)的臂架桁架部分材料為Q690，臂架頭部、人字架和回轉(zhuǎn)平臺(tái)材料為D36，金屬結(jié)構(gòu)材料的許用應(yīng)力如表1所示。

表1　許用應(yīng)力

四、載荷定義和計(jì)算

起重機(jī)在設(shè)計(jì)與分析過程中應(yīng)考慮如下載荷：自重載荷、起升載荷、因船體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性載荷、因船體傾斜產(chǎn)生的側(cè)傾載荷以及風(fēng)載荷的影響，基本載荷如表2所示。

表2　基本載荷

1.自重載荷

自重載荷是指在起重機(jī)的結(jié)構(gòu)、機(jī)械設(shè)備、電氣設(shè)備以及附近再起重機(jī)上的存?zhèn)}、連續(xù)輸送機(jī)及其上的物料等的重力。

2.起升系數(shù)與作業(yè)系數(shù)

本起重機(jī)根據(jù)CCS《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范2007》中的重型起重機(jī)的使用要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此起升系數(shù)取1.1，作業(yè)系數(shù)取1.05。

3.側(cè)傾載荷

側(cè)傾載荷Pc代表由于船舶傾斜所產(chǎn)生的所有載荷，其中起升載荷產(chǎn)生的水平力為：1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）×tan2°，同時(shí)重力加速度按照船體傾斜2°（空載時(shí)20°）進(jìn)行同步分解。

4.回轉(zhuǎn)與變幅慣性載荷

回轉(zhuǎn)與變幅慣性載荷根據(jù)回轉(zhuǎn)、變幅速度及啟制動(dòng)時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，將通過計(jì)算得出的角加速度施加于整體鋼結(jié)構(gòu)，同時(shí)起升載荷慣性力作為集中載荷施加于臂架頭部相應(yīng)位置。

5.風(fēng)載荷

工作風(fēng)速為17.1m/s，非工作風(fēng)速為51.4m/s，作用在起升載荷上的風(fēng)力按照公式：進(jìn)行計(jì)算，安全工作負(fù)荷如表2所示。

五、載荷工況和載荷組合

1.載荷工況

起重機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮下列四類工況。

（1）I類工況：起重機(jī)工作于無風(fēng)狀態(tài)。

（2）II類工況：起重機(jī)工作于有風(fēng)狀態(tài)。

（3）III類工況：起重機(jī)處于放置狀態(tài)。

（4）IV類工況：起重機(jī)承受特殊載荷。

2.載荷組合

（1） 組合1：主鉤8000t，臂架仰角71°，I類工況：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）。

（2） 組合2：副鉤1000t，臂架仰角38°，I類工況：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）。

（3） 組合3：小鉤200t，臂架仰角22°，I類工況：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）。

（4） 組合4：主鉤8000t，臂架仰角71°，II類工況：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）+Fwx+PHb。

（5） 組合5：主鉤8000t，臂架仰角71°，II類工況：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）+Fwz+PHh。

（6） 組合6：主鉤3100t，臂架仰角57°，II類工況：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）+Fwx+PHb。

（7） 組合7：主鉤3100t，臂架仰角57°，II類工況：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）+Fwz+PHh。

（8） 組合8：主鉤1300t，臂架仰角39°，II類工況：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）+Fwx+PHb。

（9） 組合9：主鉤1300t，臂架仰角39°，II類工況：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）+Fwz+PHh。

（10）組合10：副鉤1000t，臂架仰角38°，II類工況：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）+Fwx+PHb。

（11）組合11：副鉤1000t，臂架仰角38°，II類工況：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）+Fwz+PHh。

（12）組合12：小鉤200t，臂架仰角22°，II類工況：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）+Fwx+PHb。

（13）組合13：小鉤200t，臂架仰角22°，II類工況：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）+Fwz+PHh。

（14）組合14：空載，臂架仰角0°，III類工況：DL+Pc+Fswx+PHx+PHy。

（15）組合15：空載，臂架仰角0°，III類工況：DL+Pc+Fswz+PHy+PHz。

（16）組合16：試驗(yàn)，臂架仰角71°，IV類工況：DL+1.1×SWL+Gg+Gs。

六、有限元分析結(jié)果

圖2～圖5所示為典型工況的結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形云圖。

圖2　載荷組合1應(yīng)力云圖

圖3　載荷組合2應(yīng)力云圖

圖4　載荷組合3應(yīng)力云圖

圖5　荷組合1垂直變形云圖

表3　強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果匯總（單位：N/mm2）

七、校核計(jì)算

1.壓桿穩(wěn)定性分析

表4所示為結(jié)構(gòu)的壓桿穩(wěn)定性分析。

表4　壓桿穩(wěn)定性計(jì)算

2.臂架整體穩(wěn)定性分析

表5所示為臂架結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析。

表5　整體穩(wěn)定性計(jì)算

穩(wěn)定系數(shù)φx0.838 φy0.856軸向力N（N）1.05E+08強(qiáng)軸彎矩Mx（N·mm）1.07E+10弱軸彎矩My（N·mm）7.03E+09強(qiáng)軸抗彎模量Wx（mm3）1.24E+09弱軸抗彎模量Wy（mm3）6.35E+08計(jì)算結(jié)果σ（N/mm2）3.78E+02判定結(jié)果Judgement Ok

八、結(jié)語

本文基于通用有限元軟件ANSYS對(duì)深水半潛式起重鋪管船用2×8000t起重機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，提取了16組載荷組合下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移分布，并根據(jù)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了校核和匯總，為該起重機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和進(jìn)一步優(yōu)化提供了有效依據(jù)，同時(shí)也為后續(xù)相關(guān)研究工作奠定了基礎(chǔ)。