侯 朋，劉會議，鄒 湘，葛雙喜，陳鑫祎

(南通中遠重工有限公司,江蘇 南通 226000)

基于極限狀態(tài)法門式起重機結構有限元計算

侯 朋，劉會議，鄒 湘，葛雙喜，陳鑫祎

(南通中遠重工有限公司,江蘇 南通 226000)

基于極限狀態(tài)法對某造船門式起重機結構強度、剛度進行校核，依據(jù)GB/T 3811—2008《起重機設計規(guī)范》對造船門式起重機的各種工作狀況進行分析，計算不同工況的載荷并將載荷進行組合。利用ANSYS Workbench軟件建立該造船門式起重機金屬結構有限元計算模型，根據(jù)載荷組合進行有限元數(shù)值計算。結果表明：其強度、剛度滿足要求，為造船門式起重機金屬結構的設計提供了理論依據(jù)。

造船門式起重機;極限狀態(tài)法;載荷組合;有限元計算法

0 引言

隨著造船技術的快速發(fā)展，船舶建造廣泛采用分段建造技術，使船舶建造能力以及造船的噸位得到大幅提高。大型造船門式起重機作為船廠最為重要的生產(chǎn)設備，主要用于船舶分段的吊運、翻身以及合攏等作業(yè)，在其中發(fā)揮著重要作用。

起重機在設計過程中，必須進行強度、剛度等校核計算，以保證起重機使用過程中結構安全。傳統(tǒng)的計算方法是采用許用應力法，該方法考慮單一的安全系數(shù)，難以合理利用和發(fā)揮材料性能。極限狀態(tài)法采用載荷分項系數(shù)，計算結果更加貼近實際狀況，使設計結果更經(jīng)濟、更安全[1-2]。另外，傳統(tǒng)的計算方法進行了各種簡化與假定，難以完成復雜的分析和繁重的計算工作量，且計算結果精度差[3]。有限元法是一種求解偏微分方程邊值問題近似解的數(shù)值技術，由于其通用性和有效性，在工程結構分析中得到廣泛的應用[4]。使用有限元分析軟件，可以大幅提高計算速度以及精度。國內起重機設計計算一般采用ANSYS軟件。由于起重機結構復雜，建模難度較大，都進行相應的簡化處理[5-11]，這種計算結果有一定的缺陷。本文利用ANSYS Workbench 17.1建立320 t×57 m造船門式起重機完整的有限元模型，依據(jù)極限狀態(tài)設計法，對起重機金屬結構強度、剛度進行校核計算，具有重要的工程價值。

1 門式起重機主要技術參數(shù)

320 t×57 m造船門式起重機主要由主梁、剛性腿和柔性腿組成，其中柔性支腿與主梁間采用柔性鉸鏈方式。主梁上有上小車和下小車2個小車, 上小車和下小車公用1個軌道。主梁采用雙梁結構形式，設計使用壽命為50 a。該造船門式起重機主要技術參數(shù)見表1, 總布置圖如圖1所示。

表1 3 200 kN×57 m造船門式起重機基本技術參數(shù)

2 載荷組合計算

2.1極限狀態(tài)設計法

極限狀態(tài)法[12]是使外載荷在結構及連接接頭中產(chǎn)生的應力和變形不超過結構及連接接頭的極限承載能力的設計方法。

起重機在設計過程中主要考慮載荷有結構自重、自重振動載荷、起升載荷、起升動載荷、運行沖擊載荷、變速運動引起的慣性載荷、風載荷、雪載荷等，其強度可按照GB/T 3811—2008《起重機設計規(guī)范》(簡稱“規(guī)范”)進行計算。

2.1.1載荷組合計算

Fi=∑φiγpiγnfi

(1)

式中：Fi為每個載荷所受的力；φi為動力載荷系數(shù)；γpi為分項載荷系數(shù)；γn為高度危險系數(shù)；fi為作用在結構上的載荷。2.1.2強度校核計算

(2)

式中：limσ為應力極限值；γm為抗力系數(shù)；R為材料屈服強度。

2.1.3剛度校核計算

(3)

式中：f為自行式小車位于主梁跨中位置，由額定起升載荷及自行式小車自重載荷在該處產(chǎn)生的垂直靜撓度；S為起重機跨度。

2.2載荷組合

起重機設計時需要考慮起重機的所受的載荷。按照“規(guī)范”規(guī)定：起重機的結構計算有18 種工況，本文僅以載荷組合B為例，介紹基于極限狀態(tài)設計法計算起重機組合過程。表2列出了計算起重機金屬結構的幾種載荷組合。表中，起升動載系數(shù)φ1=1.11，起升動載系數(shù)φ2=1.35，突然卸載時的動力效應φ3=0，運行沖擊系數(shù)φ4=1.15，考慮起重機運行驅動力突變時結構的動力效應系數(shù)φ5=1.5。

表2采用極限狀態(tài)設計法時門式起重機金屬結構計算的載荷與載荷組合表

3 整機金屬結構有限元數(shù)值計算

起重機金屬結構作為起重機的骨架，支撐起重機的機構和電氣設備，承受起重機自重以及工作載荷。造船門式起重機主要的受力部分為主梁、剛性腿、柔性腿等。起重機主要承重結構材料為Q235B和Q345D/E, 材料彈性模量E=2.10×105MPa,泊松比u=0.3,密度ρ=7.85×103kg/m3。材料的屈服強度分別見表3、表4。

表3Q235B材料的屈服強度MPa

板厚/mm≤16gt;16～≤40gt;40～≤60gt;60～≤100gt;100～≤150屈服強度/MPa235225215215195

表4Q345D/E材料的屈服強度MPa

板厚/mm≤16gt;16～≤40gt;40～≤63gt;63～≤80gt;80～≤100屈服強度/MPa345335325315305

根據(jù)320 t×57 m造船門式起重機圖建立詳細的整機有限元計算模型，其模型圖如圖2所示。其中，起重機主梁、剛性腿、柔性腿采用板單元和梁單元組合形式，板單元采用SHELL181單元，梁單元采用BEAM188單元。

4 計算結果

將表2載荷根據(jù)式(1)進行組合施加，結合實際情況對模型進行約束。計算結果詳見表5。

表5 門式起重機金屬結構有限元計算結果

式(2)中，R=345 MPa，γm=1.1。

經(jīng)計算，結構最大應力σ=308 MPa，limσ=313 MPa。

σ≤limσ，起重機金屬結構強度滿足規(guī)范要求。

式(3)中，S=57 000 mm，f=54 mm。

圖3 、圖4分別為B2載荷組合應力云圖和位移云圖。

5 結語

本文基于極限狀態(tài)法和ANSYS Workbench軟件對320 t×57 m造船門式起重機金屬結構強度、剛度進行校核，計算結果滿足規(guī)范要求，為造船門式起重機金屬結構的設計計算提供一種可靠的計算方法。

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U653.921

A

2017-06-21

侯朋(1987—)，男，助理工程師，從事船舶及起重機結構強度分析工作；劉會議(1973—)，男，高級工程師，從事船用龍門吊、機構學研究。