低速船用柴油機(jī)整機(jī)吊具可靠性的有限元分析

馬哲樹(shù)， 渠滿菊, 蔣愛(ài)民

(1.江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)(2.江蘇安泰動(dòng)力機(jī)械有限公司,江蘇 靖江 214500)

由于柴油機(jī)整機(jī)吊具承擔(dān)起柴油機(jī)的吊裝、運(yùn)輸和安裝任務(wù),且在日后維修、拆卸、搬遷時(shí)仍需反復(fù)使用,故吊具的設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)柴油機(jī)的安全起吊具有重要的意義.傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是在已知工況和負(fù)載的前提下依據(jù)理論經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)手冊(cè)完成強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性校核及機(jī)構(gòu)尺寸進(jìn)行計(jì)算,難以了解吊具的實(shí)際工作性能，如果在不能做實(shí)驗(yàn)的情況下,這種簡(jiǎn)單的估算更沒(méi)有安全的保障.為了使用吊具的安全,生產(chǎn)廠家經(jīng)常把安全系數(shù)取的很大,不符合吊具設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性,所以檢驗(yàn)吊具的安全性是否符合要求成為一個(gè)難點(diǎn).隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析技術(shù)的不斷發(fā)展,利用軟件對(duì)吊具進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì),完成實(shí)體建模后加載實(shí)際工況進(jìn)行有限元分析,對(duì)吊具的應(yīng)力分布和形變情況作定性的認(rèn)識(shí),為吊具結(jié)構(gòu)的改良與優(yōu)化提供了理論依據(jù)[1-3].針對(duì)低速船用柴油機(jī)6S42MC整機(jī)的起吊吊具進(jìn)行有限元分析,利用分析結(jié)果,判斷吊具的強(qiáng)度和可靠性,找出吊具的最大應(yīng)力部分并對(duì)吊具的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)吊具質(zhì)量的可靠性和經(jīng)濟(jì)性.

1 低速船用柴油機(jī)吊具有限元模型

1.1 吊具設(shè)計(jì)要點(diǎn)

圖1為吊具模型，該模型是對(duì)稱(chēng)的，吊具使用時(shí)要保證吊具的平衡，吊板的兩側(cè)焊接圓法蘭，增大吊具和吊鉤的接觸面積，圓孔用卸扣與吊鏈連接盤(pán)板加強(qiáng)吊板與底板的強(qiáng)度，底板上的四個(gè)螺栓孔與要起吊的整機(jī)用螺栓連接，吊具的結(jié)構(gòu)比較緊湊，與傳統(tǒng)的吊具設(shè)計(jì)相比，降低了吊具的安全系數(shù)，并且在安全范圍之內(nèi)，保證了吊具的經(jīng)濟(jì)性.

圖1 吊具模型Fig.1 Model of the spreader

1.2 吊具材料屬性及劃分網(wǎng)格

吊具采用CL.B船用鋼板,其性能相當(dāng)于Q345,其屈服點(diǎn)強(qiáng)度是345 MPa,材料特性如下：密度為7 850 kg/m3,彈性模量為2.06×105MPa,泊松比為0.3.由于在PROE中建模是以mm為單位,所以設(shè)置材料密度為7.85E-9(t/mm3),設(shè)置的彈性模量和泊松比[4-5]分別為2.06E5,0.3.

選用Solid187實(shí)體單元，采用Smartsizing控制下的自由網(wǎng)格劃分形式，設(shè)置精度為2,網(wǎng)格劃分后的模型如圖2,網(wǎng)格劃分后得到 52 030個(gè)單元,81 954個(gè)節(jié)點(diǎn).

圖2 劃分網(wǎng)格Fig.2 Meshing

1.3 螺栓孔的支反力

1)施加約束

對(duì)吊具的螺栓孔的上圓環(huán)面施加位移全約束.

2)施加載荷

有限元法中認(rèn)為,力是通過(guò)節(jié)點(diǎn)來(lái)傳遞,在整體剛度方程中的載荷項(xiàng)均為節(jié)點(diǎn)載荷.因此,當(dāng)單元受到均布載荷或其它非節(jié)點(diǎn)載荷時(shí),必須將其向節(jié)點(diǎn)移植,即將非節(jié)點(diǎn)載荷換算成為作用在節(jié)點(diǎn)上的效果相當(dāng)?shù)募休d荷(稱(chēng)等效節(jié)點(diǎn)載荷)[6].

外載荷為所吊柴油機(jī)的重量,吊具額定載荷是21 t,測(cè)試載荷是額定載荷的2倍,所以施加在上圓柱面的載荷是42 t,轉(zhuǎn)換為ANSYS中的面載荷為84 MPa.

恒載荷是吊具的自重,前面在材料屬性中添加了材料的密度,所以在施加吊具自重時(shí),直接輸入慣性加速度,有限元軟件會(huì)直接將重力施加在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上[7-10].

3)求解,查看每個(gè)螺栓孔圓環(huán)面上所受的支反力,分別為65 528,65 544,110 150,110 810 N,轉(zhuǎn)換為面載荷分別為16.80,16.81,28.24,28.41 MPa,將面載荷分別記為A1,A2,A3,A4.

1.4 吊具的有限元分析

將施加在螺栓孔圓環(huán)面上的位移全約束刪除,由于柴油機(jī)起吊吊具通過(guò)螺栓和起吊零件相連接,所以對(duì)吊具施加的約束條件是:對(duì)4個(gè)螺栓孔施加面對(duì)稱(chēng)邊界條件,對(duì)吊具的底面施加豎直方面的位移約束,分別對(duì)螺栓孔的上圓環(huán)面施加面載荷A1，A2，A3，A4,然后再次求解.

2 結(jié)果與分析

2.1 吊具應(yīng)力應(yīng)變分析

1)計(jì)算結(jié)果

①最大應(yīng)力

圖3為吊具的Mises應(yīng)力圖,可以看出,最大應(yīng)力為144.228 MPa,在與卸扣接觸的圓柱面上,其他地方的應(yīng)力都小于100 MPa.圖4為最大應(yīng)力局部放大圖.

圖3 Mises 應(yīng)力圖Fig.3 Picture of the Mises stress

圖4 最大應(yīng)力局部放大Fig.4 Partially enlarged view of the maximum stress

②最大位移

整個(gè)吊具的x,y方向的變形都比較小,z方向的最大位移為0.044 234 mm,變形量比較小,符合要求.圖5為z方向的位移變形圖.

圖5 z方向位移變形圖Fig.5 Picture of z-direction displacement deformation

2)計(jì)算結(jié)果分析

該柴油機(jī)整機(jī)起吊吊具采用CL.B材料,相當(dāng)于Q345鋼,它的屈服極限是345 MPa,計(jì)算得到的最大應(yīng)力為144.228 MPa,安全系數(shù)為NS=345/144.228=2.39,對(duì)于靜載荷問(wèn)題,許用安全系數(shù)[NS]=1.2～2.0,計(jì)算結(jié)果表明強(qiáng)度是足夠的[11-12].

2.2 減少應(yīng)力方法的有效性分析

吊具的最大應(yīng)力出現(xiàn)在上圓柱面處,為了減少應(yīng)力,可以增加上吊板的厚度,但這樣將會(huì)增加材料,為了節(jié)約材料,直接增加墊片的厚度.文中分析了在載荷一定的情況下,每增加5 mm墊片厚度的應(yīng)力情況,圖6是最大應(yīng)力(F)隨墊片厚度(h)增加的變化情況,由圖6可以看出,增加吊板或墊片厚度可以減少應(yīng)力.

圖6 最大應(yīng)力與墊片的厚度變化關(guān)系Fig.6 Relationship between maximum stress and the variation of the thickness of the shims

3 吊具的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 拓?fù)鋬?yōu)化分析[5，13]

由于吊具是根據(jù)柴油機(jī)整機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)的,既要考慮吊具的強(qiáng)度問(wèn)題又要考慮吊具不與其它零件發(fā)生干涉,所以底板的大小一般不能有太大的變化.根據(jù)對(duì)吊具的分析可知,吊具的最大應(yīng)力出現(xiàn)在吊板上與卸扣接觸的圓環(huán)面上,所以對(duì)吊具的吊板做拓?fù)鋬?yōu)化,省去30%的材料.對(duì)于三維實(shí)體單元,做拓?fù)鋬?yōu)化只能選單元類(lèi)型Solid 92和Solid 95,并且只有單元類(lèi)型號(hào)為1的單元才能做拓?fù)鋬?yōu)化,所以將做拓?fù)鋬?yōu)化吊板的單元類(lèi)型定義為與Solid 187相同功能的Solid 92,單元類(lèi)型號(hào)為1,其他的單元類(lèi)型為Solid 92,單元類(lèi)型號(hào)為2.拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果圖7,藍(lán)色部分為可以去除的部分,紅色部分則是應(yīng)該保留的部分.由圖可以看出,一部分可去除的材料和加強(qiáng)筋有接觸,所以在修改吊具的結(jié)構(gòu)尺寸時(shí),還要考慮將加強(qiáng)筋的位置做適當(dāng)?shù)淖儎?dòng).

圖7 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果Fig.7 Result of the topology optimization

3.2 吊具的優(yōu)化

由優(yōu)化結(jié)果,修改上吊板的結(jié)構(gòu)尺寸,將上吊板藍(lán)色部分的圓弧半徑由原來(lái)的45 mm改為35 mm,吊板的長(zhǎng)度由原來(lái)的400 mm改為370 mm,加強(qiáng)筋往中心移動(dòng)10 mm,則模型的體積由原來(lái)的9 965 303 mm3變?yōu)? 596 565 mm3,體積減少了3.7%,將改后的模型再次進(jìn)行有限元分析,分析結(jié)果如圖8,9.可以看出,優(yōu)化后的模型的最大應(yīng)力為143.304 MPa,最大變形量為0.045 337 mm,分析結(jié)果符合吊具的強(qiáng)度,說(shuō)明此結(jié)構(gòu)是可行的,這也為吊具的優(yōu)化結(jié)構(gòu)提供了理論基礎(chǔ).

圖8 Mises 應(yīng)力圖Fig.8 Picture of the Mises stress

圖9 z方向位移變形圖Fig.9 Picture of the z-direction displacement deformation

4 結(jié)論

以傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ),結(jié)合CAD技術(shù)建立模型,用有限元分析思想對(duì)專(zhuān)用吊具在實(shí)際工況進(jìn)行受力分析,得出吊具重要零部件在靜態(tài)工況下的應(yīng)力云圖和變形云圖,為其安全可靠性提供依據(jù),并且節(jié)省了吊具的設(shè)計(jì)周期,提高了生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)性.通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化,為吊具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ),隨著CAE技術(shù)的不斷進(jìn)步,該方法將在起吊吊具及設(shè)備的設(shè)計(jì)中得到更廣泛地應(yīng)用.

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