基于有限元分析的大型拖拽絞車滾筒優(yōu)化設(shè)計

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(武漢船用機械有限責(zé)任公司，武漢 430084)

大型拖拽絞車作為海洋平臺、無自航能力船舶等設(shè)備移動的動力源，隨著頻繁的海上作業(yè)，海洋平臺等海上作業(yè)設(shè)備越來越大，致使拖拽絞車的牽引力需求也越來越大，拖拽絞車的主要工作機構(gòu)是滾筒，滾筒的承載能力主要取決于滾筒壁厚和滾筒直徑[1- 7]。關(guān)于滾筒壁厚對承載能力的影響，有學(xué)者利用COSMOSWorks軟件進行起重機滾筒的建模，分析滾筒應(yīng)力和位移的分布規(guī)律，認(rèn)為傳統(tǒng)理論計算滾筒壁厚方法很保守，并發(fā)現(xiàn)單純地依靠滾筒來承受載荷，滾筒壁厚會很大。故楊明等通過在滾筒內(nèi)部增加筋板，使?jié)L筒受力更加合理，優(yōu)化了整體結(jié)構(gòu)，為降低滾筒制造成本提供了一定的理論基礎(chǔ)[9]。為此，借助于有限元分析工具，對大型拖拽絞車滾筒進行優(yōu)化分析，分析縱向筋板布置形式對筒體應(yīng)力的影響。

1 無內(nèi)筋板滾筒受力模型分析

如圖1所示，設(shè)滾筒的直徑為D，滾筒厚度為δ，滾筒受鋼絲繩的力為F，則滾筒在鋼絲繩繞出端的壓力σ1[1]為

(1)

式中：t為鋼絲繩節(jié)距，t=1.01d。

鋼絲繩繞出滾筒的局部彎曲應(yīng)力為

(2)

則滾筒在局部所受的綜合應(yīng)力為

σ=σ1+σ2

(3)

圖1 滾筒基本參數(shù)

由式(1)～式(3)可見，影響滾筒應(yīng)力的主要因素是鋼絲繩張力，滾筒壁厚和滾筒直徑，但在實際中，隨著鋼絲繩長度和鋼絲繩在滾筒上纏繞層數(shù)的不同，會導(dǎo)致滾筒的長度不同，滾筒應(yīng)力也會不同，本文采用ANSYS軟件對滾筒的受力進行分析，具體步驟如下。

式(1)對滾筒兩邊進行固定。

式(2)在滾筒外徑上采用歐拉衰減原理進行鋼絲繩力加載。

所研究的滾筒其外徑為2 100 mm，鋼絲繩受力為900 kN。

2 影響滾筒承載能力因素分析

在設(shè)計拖拽絞車時，鋼絲繩的拉力作為一個輸入?yún)?shù)已定，鋼絲繩直徑也已經(jīng)確定，根據(jù)相應(yīng)規(guī)范，滾筒直徑也能確定，故滾筒壁厚成為主要的影響因素。采用ANSYS對其影響進行分析。

將proe模型導(dǎo)入ANSYS中，按照上面步驟加載完畢后，得到如圖2所示的滾筒應(yīng)力隨滾筒壁厚變化曲線和如圖3所示的滾筒變形量隨滾筒壁厚變化曲線。從圖2和圖3可以看出，隨著滾筒壁厚的增加，滾筒的應(yīng)力和變形量均減小。同時從圖2可知，應(yīng)力值隨著滾筒壁厚的增減，先迅速減小，到滾筒壁厚120 mm以后，減小幅度逐漸減緩；從圖3可知，滾筒的變形量隨著滾筒壁厚的增加，先迅速減小，當(dāng)滾筒壁厚到達115 mm以后，減小幅度逐漸減緩。

圖2 滾筒應(yīng)力隨滾筒壁厚的變化

圖3 滾筒變形量隨滾筒壁厚的變化

3 帶內(nèi)筋板滾筒承載能力分析

由以上分析可知，隨著滾筒壁厚的增加，滾筒的應(yīng)力越來越小，相應(yīng)的變形量也越來越小，抵抗外載拉力的性能越來越好。但是，從工藝的角度去考慮，承受如此大力的滾筒，往往采用鍛造，壁厚的增加，不僅增加了鍛造的難度，同時增加了材料成本和整個滾筒的重量。故單獨依靠增加滾筒壁厚來增加拖拽絞車的承載能力是不可取的，因此本文提出通過增加內(nèi)筋板來提高滾筒的承載能力。

選取壁厚為90 mm的滾筒進行加筋板分析，按照上面相同的加載步驟，得到圖4和圖5的滾筒應(yīng)力值和變形量隨縱向筋板個數(shù)的變化曲線。

圖4 滾筒應(yīng)力隨縱向筋板個數(shù)的變化

圖5 滾筒變形量隨縱向筋板個數(shù)的變化

圖4和圖5分別給出了筋板厚度為30 mm時，不同縱向筋板數(shù)量與滾筒應(yīng)力和變形量之間的變化曲線，其中筋板是在滾筒內(nèi)部均勻布置的(比如筋板個數(shù)為4個時，筋板間角度為90°)。從圖4可以看出，增加前兩個筋板時，應(yīng)力迅速減??；在筋板個數(shù)為2～10個時，滾筒應(yīng)力逐漸減小緩慢；當(dāng)筋板個數(shù)大于10個后，滾筒應(yīng)力減小緩慢。從圖5可知，隨著筋板個數(shù)的增加，滾筒變形量基本呈線性關(guān)系減小。故可知，縱向筋板的數(shù)量可以提高滾筒的整體剛度，可以有效地減小變形。

為了分析縱向筋板厚度對滾筒承載能力的影響，本文選取縱向筋板個數(shù)為4個，均勻布置，筋板厚度從0～50 mm均勻變化下的滾筒應(yīng)力和變形量變化曲線。

圖6和圖7分別給出了隨著筋板厚度變化，滾筒應(yīng)力和變形量變化曲線，從圖6可以看出，當(dāng)筋板厚度在0～35 mm間，滾筒應(yīng)力先迅速減小，而后緩慢減??；當(dāng)筋板厚度大于35 mm以后，滾筒應(yīng)力基本沒有變化。

圖6 不同筋板厚度下滾筒應(yīng)力的變化

圖7 不同筋板厚度下滾筒變形量的變化

從圖7可以看出，當(dāng)筋板厚度在0～30 mm時，滾筒變形量先迅速減小，而后慢慢減?。划?dāng)筋板厚度大于30 mm后，隨著筋板厚度的增加，滾筒變形量基本保持不變。

4 結(jié)論

對于特定工況下的滾筒，當(dāng)承載能力一定時，單純增加滾筒壁厚，不能有效的改善其承載能力。

通過改變滾筒內(nèi)縱向筋板數(shù)量和厚度分析其對滾筒承載能力能力的影響，發(fā)現(xiàn)縱向筋板數(shù)量越大，滾筒的承載能力越好，筋板厚度不是越大越好。

建議在大型滾筒的設(shè)計中，應(yīng)在設(shè)計范圍內(nèi)適當(dāng)降低卷筒的壁厚，盡量增加縱向筋板的數(shù)量，同時縱向筋板的厚度不應(yīng)過厚。

本文只分析了滾筒內(nèi)縱向筋板布置形式對滾筒承載能力的影響，其他的比如橫向筋板、橫向和縱向筋板共同對滾筒承載能力的影響待進一步研究。

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