基于ANSYS的船用全回轉起重機轉臺優(yōu)化設計

摘 要：針對船用全回轉起重機設計而言，回轉機構受力均衡性是檢驗起重機作業(yè)安全性和使用壽命的一項關鍵性指標，文章應用ANSYS對回轉機構和轉臺進行受力分析：通過對轉臺縱向結構和橫向結構剛度調(diào)整，以回轉結構受力均衡為優(yōu)化變量，得到合理的優(yōu)化結構。

關鍵詞：船用全回轉起重機；轉臺；回轉機構；ANSYS；優(yōu)化

中圖分類號：TH218 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）6-0097-02

采用有限元單元法和優(yōu)化設計方法，以中鐵大橋局雪浪號400 t船用全回轉起重機起重機為研究對象，通過計算機仿真分析，在滿足起重機轉臺的強度、剛度和穩(wěn)定性的基礎上，通過調(diào)整轉臺的縱橫向剛度比值，，完成以回轉機構受力均衡為主要目標的優(yōu)化計算。

1 起重機概述

該起重機安裝在船體上，主要由吊鉤、吊臂、變幅機構、三角架、轉臺、回轉機構、固定支撐機構、電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)組成。主要功能包括橋梁基礎圍堰施工、鋼護筒插打、水上施工平臺吊裝、平臺設備吊裝、鋼筋籠安插、橋梁構件安裝架設等。本船用起重機的使用，極大地降低了橋梁施工難度、縮短了橋梁施工周期、降低了成本，同時它還可以從事港口貨物的起重運輸，具有廣闊的使用空間。

該起重機主要參數(shù)如下：

起重機船艏最大起重量為400 t，最大起重力矩為12 000 t/m；全回轉時最大起重量為350 t，最大起重力矩為10 850 t/m，主鉤最大起升高度為65 m，副鉤最大起升高度可達77 m。整機如圖1所示。

2 轉臺結構的設計

對于大中型海上起重設備，設計時首先要考慮的就是結構的合理性。對于“雪浪”號來講，由于起重機起重能力大，且為海上全回轉作業(yè)，受力復雜，利用常規(guī)結構模式和計算模式根本不能滿足設計要求。針對這一難題，在學習借鑒國內(nèi)外先進技術的基礎上，設計人員在結構模式作了突破：在轉臺和固定支撐兩個構件上作了創(chuàng)新。首先，在傳統(tǒng)轉臺的結構模式基礎上增加了兩片桁架。這種結構模式具有三個優(yōu)點：一是抬高了三角架，從而減小了三角架的受力；二是增加了縱向主梁的剛度，便于回轉支撐滾輪受力均化；三是使受力更明確，傳載更直接，更便于轉臺結構的設計及計算。

3 有限元分析模型的建立

對于轉臺結構部分全部采用既具有彎曲能力和又具有膜力，可以承受平面內(nèi)荷載和法向荷載的SHELL63彈性殼單元；對于滾輪部分則全部模擬成軸向僅受壓的LINK10桿單元。

采用上述單元用ANSYS建模，建模過程中在不影響轉臺受力的情況下我們對轉臺尾部弧形配重箱部分作了一定的簡化。建成模型共有9 580個單元，8 908個節(jié)點。模型如圖2所示。

4 載荷處理

4.1 活載加載

吊臂鉸軸反力，三角架主撐桿反力，三角架拉桿反力均作用在各鉸點處。

4.2 恒載加載

①轉臺結構自重載荷在程序中給出比重ρ=1.14×7.85 t/m3及重力加速度g=9.8 m/s2×Φd，由程序自動加載；舶體風載及縱橫傾產(chǎn)生的水平力通過在程序中給出縱橫向等效加速度αz和αc，由程序自動加載。

②轉臺尾部配重作在對模型加載時，我們對其作了一些模擬分配：將配重總重模擬成均布力進行加載。

③索具起升機構，主鉤、變幅、副鉤絞車等其它零部件自重載荷在對模型加載時，我們也對其作了一些模擬分配，采用集中力加載模式進行加載。

4.3 邊界條件加載

①回轉機構模擬滾輪的112個LINK10單元的下節(jié)點進行UY方向的約束。

②對轉臺主縱梁下蓋板反支撐約束處進行UY方向的約束。

5 求 解

對轉臺結構進行靜力分析，目的是找出全回轉最危險工況下的滾輪最大和最小支撐力，并通過對轉臺縱橫向剛度比值進行調(diào)整，使轉臺在滿足強度、剛度和穩(wěn)定性的條件下確保最大承載處相鄰滾輪受力基本均衡。

通過計算分析：本起重機當轉臺縱橫向剛度比值約1.8時最大承載處相鄰滾輪受力值以5%～10%逐步遞減，基本達到受力均衡的目的。按線性靜力分析直接求解后的變形圖和Von Mise應力云圖如圖3所示。

6 結 論

本船用全回轉起重機采用ANSYS建立轉臺結構的有限元模型計算結果表明：

通過調(diào)整轉臺縱橫向剛度比值可使回轉支撐受力均衡性得到大幅度提高，既提高了起重機作業(yè)安全性，又延長了起重機作業(yè)壽命，為起重機優(yōu)化設計提供了參考經(jīng)驗。

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