基于ANSYS的大型浮式起重機(jī)支承圓筒結(jié)構(gòu)有限元分析

李耀成

摘 要：本文通過(guò)運(yùn)用ANSYS有限元軟件，對(duì)某大型浮式起重機(jī)支承圓筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算分析的同時(shí)，運(yùn)用兩種計(jì)算方法計(jì)算支承圓筒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，一種是根據(jù)浮式起重機(jī)整機(jī)回轉(zhuǎn)部分有限元計(jì)算提供的滾輪支反力及中心軸樞支反力施加在支承圓筒結(jié)構(gòu)上來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力;一種是將整個(gè)浮式起重機(jī)整機(jī)回轉(zhuǎn)部分（含起重量）看作是一個(gè)質(zhì)量單元，即剛性滾輪假設(shè)法，通過(guò)質(zhì)量單元與支承圓筒結(jié)構(gòu)耦合生成剛性區(qū)域來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力。各種危險(xiǎn)工況下兩種計(jì)算方法分析支承圓筒結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性均滿足要求，因此得出結(jié)論：支承圓筒結(jié)構(gòu)的兩種計(jì)算方法是可行的。為同類型大型浮式起重機(jī)的支承圓筒設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考。

關(guān)鍵詞：支承圓筒;有限元;浮式起重機(jī)

中圖分類號(hào)：U653.921 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2020）08-0155-03

1引言

隨著海洋工程服務(wù)的迅猛發(fā)展，大型浮式起重機(jī)海上安裝作業(yè)應(yīng)用需求越來(lái)越多，尤其是海上風(fēng)力發(fā)電安裝的飛速發(fā)展，各種大噸位的浮式起重機(jī)也大量出現(xiàn)在海洋工程領(lǐng)域，擁有自重輕、幅度大、起升高度高的大型浮式起重機(jī)成為海洋工程服務(wù)領(lǐng)域企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)。大型浮式起重機(jī)中，金屬結(jié)構(gòu)重量往往占到起重機(jī)總重的60%以上，而作為連接浮式起重機(jī)回轉(zhuǎn)部分與船體甲板面的重要部件支承圓筒，其強(qiáng)度至關(guān)重要，并與起重機(jī)整機(jī)性能、重量、使用性能等重要參數(shù)密切相關(guān)，因此支承圓筒的設(shè)計(jì)計(jì)算顯得尤為重要。

2 1600t全回轉(zhuǎn)浮式起重機(jī)主要參數(shù)及支承圓筒結(jié)構(gòu)

1600t全回轉(zhuǎn)浮式起重機(jī)主要參數(shù)如表1所示。1600t全回轉(zhuǎn)浮式起重機(jī)采用滾子式回轉(zhuǎn)支承裝置。回轉(zhuǎn)部分支承在滾子上，滾子在圓弧軌道上滾動(dòng)，回轉(zhuǎn)部分重量通過(guò)滾子、軌道傳遞到支承圓筒上;水平力主要由支承圓筒小圓筒與轉(zhuǎn)臺(tái)小圓筒連接的回轉(zhuǎn)支承及水平輪承受。

3 支承圓筒計(jì)算（根據(jù)有限元計(jì)算提供的滾輪壓力方法）

3.1 有限元模型建立

根據(jù)支承圓筒結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，對(duì)模型采取適當(dāng)簡(jiǎn)化，將雙排滾輪作用載荷簡(jiǎn)化成單排滾輪載荷施加在軌道上，忽略回轉(zhuǎn)中心軸樞偏斜導(dǎo)致一部分水平力由滾輪承受（啃軌）產(chǎn)生的水平作用力影響，不計(jì)支承圓筒的制造誤差和、鋼板的厚度偏差、軌道不平度及滾輪直徑的制造偏差，不考慮支承滾輪載荷作用在軌道上產(chǎn)生的變形對(duì)對(duì)接結(jié)構(gòu)受力的影響，所有鋼板用shell63單元模擬，集中質(zhì)量采用MASS21單元模擬，滾輪采用link8單元，根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際重量，對(duì)各部件材料密度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整以達(dá)到與實(shí)際情況相符，建立結(jié)構(gòu)有限元模型，如圖1所示。

該模型坐標(biāo)系：坐標(biāo)原點(diǎn)為支承圓筒回轉(zhuǎn)中心與船體甲板面交點(diǎn)，X軸方向?yàn)榕渲刂赶蛉俗旨艿谋奂芟裸q點(diǎn)，Y軸方向?yàn)榇怪比俗旨艿膫?cè)面指向內(nèi)側(cè)，Z軸方向?yàn)榇怪毕蛏稀?/p>

支承圓筒與船體甲板面采用焊接方式連接，因此約束全部自由度： Ux，Uy，Uz，Rx，Ry，Rz。

3.2計(jì)算工況

不同于一般的起重機(jī)械，1600t全回轉(zhuǎn)浮式起重機(jī)在海上作業(yè)時(shí)分為固定起吊作業(yè)及回轉(zhuǎn)起吊作業(yè)，考慮到作業(yè)需求，計(jì)算工況如下：

工況1：70°幅度，主鉤固定吊1600t+60t+80t，起升鋼絲繩外擺角為2°，風(fēng)速20m/s，風(fēng)沿臂架根部向頭部水平方向吹;

工況2：70°幅度，主鉤固定吊1600t+60t+80t，起升鋼絲繩側(cè)擺角為2°，風(fēng)速20m/s，風(fēng)沿垂直于臂架平面方向向里吹;

工況3：70°幅度，主鉤回轉(zhuǎn)吊1000t+60t+80t， 起升鋼絲繩外擺角為3°，風(fēng)速20m/s，風(fēng)沿臂架根部向頭部水平方向吹;

工況4：70°幅度，主鉤回轉(zhuǎn)吊1000t+60t+80t，起升鋼絲繩側(cè)擺角為3°，風(fēng)速20m/s，風(fēng)沿垂直于臂架平面方向向里吹;

工況5：70°幅度，主鉤固定吊1600t+60t+80t，無(wú)風(fēng)，起升鋼絲繩外擺角為2°;

工況6：70°幅度，主鉤固定吊1600t+60t+80t，無(wú)風(fēng)，起升鋼絲繩側(cè)擺角為2°;

工況7： 70°幅度，副鉤回轉(zhuǎn)吊200t+5t， 起升鋼絲繩外擺角為3°，風(fēng)速20m/s，風(fēng)沿臂架根部向頭部水平方向吹;

工況8： 70°幅度，副鉤回轉(zhuǎn)吊200t+5t，起升鋼絲繩側(cè)擺角為3°，風(fēng)速20m/s，風(fēng)沿垂直于臂架平面方向向里吹;

工況9： 垂直于甲板的加速度為±1.0g;前后方向平行于甲板的加速度為±0.5g;靜橫傾30°;風(fēng)速55m/s，作用于前后方向。

工況10：垂直于甲板的加速度為±1.0g;橫向垂直于甲板的加速度為±0.5g;靜橫傾30°;風(fēng)速55m/s，作用于橫向。

3.3施加載荷

3.3.1垂直載荷

垂直載荷根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算提供的各工況下滾輪的垂直力Fv以集中載荷形式加載在支承圓筒的軌道上。

3.3.2水平載荷

主鉤固定吊1600t貨物偏擺力：F1H=1600×tan2°=55.88t

主鉤回轉(zhuǎn)吊1000t貨物偏擺力：F1H=800×tan3°=52.41t

副鉤回轉(zhuǎn)吊200t貨物偏擺力：F1H=200×tan2°=6.98t

副鉤回轉(zhuǎn)吊200t貨物偏擺力：F1H=200×tan3°=10.48t

FW1——工作狀態(tài)風(fēng)載荷;FW2——非工作狀態(tài)最大風(fēng)載荷。

3.3.3結(jié)構(gòu)自重

采用ANSYS軟件內(nèi)部的慣性載荷加載方式自動(dòng)計(jì)入，考慮作業(yè)系數(shù)ψd=1.05，扶梯平臺(tái)系數(shù)1.005，焊縫重系數(shù)1.01，慣性載荷加速度az=gz ×ψd=9.8×1.05×1.005×1.01=10.44m/s2。

各工況下施加載荷如表2所示。

3.4計(jì)算結(jié)果分析

支承圓筒結(jié)構(gòu)采用的材料為Q345，許用應(yīng)力見表3。

無(wú)風(fēng)工況安全系數(shù)n=1.43，其他工況安全系數(shù)n=1.33[1][2]。

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，得到支承圓筒在各工況下的最大應(yīng)力如下：

有風(fēng)工作狀態(tài)及非工作狀態(tài)最大應(yīng)力出現(xiàn)在工況2，最大應(yīng)力為156.306MPa<251.9MPa，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

無(wú)風(fēng)工作狀態(tài)最大應(yīng)力出現(xiàn)在工況6，最大應(yīng)力為155.979MPa<223.3MPa，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

4 支承圓筒計(jì)算（滾輪剛性假設(shè)法）

先將浮式起重機(jī)回轉(zhuǎn)部分及貨重的重心找出，然后在重心處建立一個(gè)質(zhì)量相等的質(zhì)量單元，因此可考慮將質(zhì)量單元與回轉(zhuǎn)滾輪生成剛性區(qū)域。這里假設(shè)滾輪具有足夠的強(qiáng)度及剛性，不會(huì)被壓潰[3]，建立結(jié)構(gòu)有限元模型如下所示：

由前面可知有風(fēng)工作工況2的應(yīng)力最大，因此僅計(jì)算工況2的應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。最大應(yīng)力為201.592MPa<251.9MPa，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

由以上分析可知，通過(guò)運(yùn)用ANSYS有限元軟件對(duì)支承圓筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析計(jì)算是可行的，通過(guò)運(yùn)用兩種方法計(jì)算各種危險(xiǎn)工況下的支承圓筒強(qiáng)度均滿足要求。采用滾輪剛性假設(shè)法算出來(lái)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力比根據(jù)回轉(zhuǎn)上部分提供的滾輪支反力載荷計(jì)算應(yīng)力要大，因此這種計(jì)算方法偏于保守，但是這兩種計(jì)算方法都是可行的，為以后同類型的大型浮式起重機(jī)支承圓筒設(shè)計(jì)計(jì)算提供了參考，最后通過(guò)實(shí)際使用，也驗(yàn)證了支承圓筒計(jì)算的實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)船級(jí)社.船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范[Z].

[2] GB/T 3811-2008，起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 徐克晉.金屬結(jié)構(gòu)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.