倪幼虎，馬峰

(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 宜興分院， 江蘇 宜興 214200)

0 引言

造船門式起重機(jī)因其在大型船舶、海洋作業(yè)平臺(tái)分段安裝運(yùn)輸中的顯著優(yōu)勢(shì)，已成為我國(guó)船舶、海工產(chǎn)品制造行業(yè)吊裝作業(yè)的主要工藝裝備[1-2]。然而，造船門式起重機(jī)在制造、安裝特別是使用過程中可能會(huì)產(chǎn)生裂紋、變形、連接缺陷、腐蝕和磨損等結(jié)構(gòu)缺陷，其中裂紋是金屬結(jié)構(gòu)的最主要故障，其主要形式是裂紋擴(kuò)展，金屬結(jié)構(gòu)易疲勞斷裂，易造成起重機(jī)的安全事故，因此對(duì)在役起重機(jī)帶缺陷結(jié)構(gòu)件的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3-4]。本文采用數(shù)值分析法，以某工廠300 t/43mA型雙梁造船門式起重機(jī)帶裂紋缺陷的柔性支腿為研究對(duì)象，建立了柔性支腿的裂紋缺陷模型，進(jìn)行了柔性支腿無缺陷模型和帶缺陷模型的靜強(qiáng)度分析及模態(tài)分析，為造船門式起重機(jī)安全檢測(cè)評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 缺陷模型

根據(jù)金屬材料疲勞裂紋的擴(kuò)展規(guī)律和行為，在柔性支腿處定義25mm×200mm的橫向裂紋，建立了其裂紋缺陷模型[5]，如圖1所示。

圖1 柔性支腿裂紋缺陷模型

2 靜強(qiáng)度分析

選用柔性支腿危險(xiǎn)工況，上小車加載200 t重物，下小車加載100 t重物，兩小車相距12 m,求解得到柔性支腿上的支反力是F=2.75×106N。將柔性支腿劃分為SHELL單元，用Quard4來模擬薄板結(jié)構(gòu)，并根據(jù)板件的實(shí)際厚度定義與之相對(duì)應(yīng)的SHELL單元的厚度，并對(duì)幾何形狀較復(fù)雜的區(qū)域采用了三角形單元離散，以充分利用三角形單元適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)裂紋處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。柔性支腿的無缺陷模型和帶缺陷模型的應(yīng)力應(yīng)變變化情況如圖2所示。

圖2 不同模型的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

帶缺陷和無缺陷的有限元計(jì)算結(jié)果如表1所示。帶裂紋缺陷的最大應(yīng)力值為166 MPa，大于無缺陷時(shí)的最大應(yīng)力值，雖然小于金屬結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力值240 MPa，仍滿足靜強(qiáng)度要求。但柔性支腿橫向裂紋缺陷處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，屬結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)部位，柔性支腿很有可能疲勞開裂，引發(fā)起重機(jī)事故危害。

3 模態(tài)分析

對(duì)缺陷模型進(jìn)行模態(tài)分析，求解固有頻率和振型，與所受外載無關(guān)，故可忽略外力的作用。由于高頻振動(dòng)幅度小，對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)影響有限，因而選用造船門式起重機(jī)柔性支腿帶缺陷和無缺陷有限元模型的前階模態(tài)進(jìn)行求解，對(duì)模型的模態(tài)振型的變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，其對(duì)應(yīng)的前六階模態(tài)振型如圖3和圖4所示，前六階固有頻率見表2。

圖3 無缺陷模態(tài)振型圖

圖4 帶缺陷模態(tài)振型圖

模型一階固有頻率二階固有頻率三階固有頻率四階固有頻率五階固有頻率六階固有頻率無缺陷1.068 74.218 75.852 46.563 26.676 512.425 4帶缺陷1.069 14.168 25.987 66.582 26.674 512.132 1

由表2得到，柔性支腿的固有頻率隨著有無缺陷而變化，越靠近裂紋缺陷處，固有頻率變化越大。通過比較得到的結(jié)果為，當(dāng)造船門式起重機(jī)柔性支腿出現(xiàn)裂紋等缺陷時(shí)，原固有頻率會(huì)改變，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)有可能引起局部的共振，產(chǎn)生事故，因此要避免與激振頻率相近。

4 結(jié)語

建立了柔性支腿的裂紋缺陷模型，對(duì)比進(jìn)行了柔性支腿不同模型下的靜強(qiáng)度分析和模態(tài)分析，得到了柔性支腿的應(yīng)力應(yīng)變值和固有頻率，指出了缺陷模型的危險(xiǎn)部位，可為焊縫裂紋的安全檢測(cè)和評(píng)估技術(shù)提供參考。