某船用回转式起重机臂架应力与稳定性分析

文 攀

(华中科技大学 船舶与海洋工程学院，武汉430074)

起重机臂架系统作为起重机主要的承载部件，其刚度、强度直接关系到起重机的安全及性能［1］。本文利用大型有限元软件Ansys，通过有限单元法，获得该回转起重机臂架在各种工况下的应力分布及失稳情况，并按照中国船级社《船舶与海上设施起重设备规范》(以下简称《规范》)进行强度与稳定性校核［2］，为该起重机臂架的优化设计提供设计参考，达到既满足结构强度要求又降低成本的目的。

1 计算模型

1.1 结构形式及有限元模型

臂架放置在船舶甲板的塔架上，不工作时，臂架是搁置在甲板上的，臂架工作时，除了可以变幅以外，还可以绕塔架360°旋转工作。该臂架总长达到108 m，高4 m，最宽处9 m，最窄处3 m。起重机臂架主要用钢管焊接成的空间杆结构，杆之间交叉布置有腹杆。通过初步计算可知，在主钩，副钩及小钩附近的应力最大，为了更加准确地计算此处的应力，吊钩附近的杆结构和板结构采用壳单元shell181单元，其余的杆结构采用beam188单元。取右手直角坐标系，沿船长方向为x方向，沿船宽方向为y方向，垂直于水面向上为z方向，原点在臂架与塔架连接的铰接结构的中心处。见图1、2。

图1 船用回转起重机布置示意

图2 臂架整体有限元模型

1.2 计算工况及边界条件

1.2.1 计算工况根据起重机的设计方案，并结合《规范》给出需要校核的工况，见表1。

1.2.2 边界条件

①底部约束:臂架底部轴孔的内表面加了径向及轴向的约束，见图3。②顶部板架处起升绳端部约束:顶部的起升绳采用link180单元模拟，端部节点约束所有自由度，见图4。

表1 臂架系统工作工况

图3 底部约束

图4 顶部板架起升绳端部约束

1.2.3 载荷

1)臂架自重。臂架的自重通过施加惯性加速度来加载。

2)拉绳的拉力。由于整个结构是超静定结构，为了求解的需要，将部分拉绳简化为力。当主钩及小钩加载重物时，中部副钩板架处有2倍俯仰绳拉力;当副钩加载重物时，绳上有4倍的起升绳拉力和2倍的俯仰绳拉力，各工况下绳上的拉力见表2。

3)船舶运动引起的载荷。根据《规范》3.2.11.1给出的船舶运动产生的加速度，由船舶运动作用在臂架上的载荷通过施加惯性加速度的方式来加载。

4)风载。按照《规范》要求计算臂架上的风载，根据规范计算得到侧吹时风载为195.5 kN，正吹时风载为138.5 kN。

表2 各工况下绳上的拉力 kN

2 计算及强度校核

2.1 屈服强度校核

臂架由板材和管材建造，由于板材和管材的材料特性不同，所以要分别考虑上面的Mises应力分布和大小。图5～10为不同工况下应力最大位置附近应力分布云图。

图5 工况1应力最大位置附近应力分布

图6 工况2应力最大位置附近应力分布

图7 工况3应力最大位置附近应力分布

图8 工况4应力最大位置附近应力分布

图9 工况5应力最大位置附近应力分布

图10 工况6应力最大位置附近应力分布

臂架工作状态强度计算结果见表3。

表3 臂架工作状态强度计算结果 MPa

从图5～10可以看出，最大的应力大都集中在副钩和主钩与主杆的连接处，一方面是由于臂架截面积的突变导致的应力集中，另一方面可能是由于模型的简化产生误差。为了减小副钩附近主杆上的应力，杆结构局部加厚，所以从图5a)和图10a)中可以发现副钩附近主杆的应力明显地减小，从图5、图6、图9和图10中可以看出主钩和小钩承载重物时，应力分布比较接近，这是由于所吊重物的位置比较接近，小钩所吊重物重量较小，工况5和工况6的应力较工况1和工况2要小。

根据《规范》中3.2.16的校核公式，管材的屈服强度为杆上最大Mises应力253.9 MPa，小于1.1［σ杆］(308 MPa)，板上最大Mises应力161.8 MPa，小于1.1［σ板］(194.04 MPa)，强度满足规范要求。

2.2 屈曲强度校核

臂架相当于一个细长梁，特别是在吊重最大为250 t时，臂架的转幅最大，臂架轴向的压应力很大，容易产生失稳，所以有必要校核臂架的稳定性。本文采用特征值屈曲分析方法对臂架的整体稳定性进行计算，并对臂架稳定性进行校核。将臂架看做一个细长梁，底部只允许臂架有转动自由度，顶部在主钩处只允许有沿臂架方向的自由度，在顶部主钩处重物重量和顶部拉绳处的拉力，将该处的力沿着臂架轴向进行分解，并平均施加在其上的节点上，其余部分载荷均按照各工况的实际情况加载。通过屈曲分析可得到6种工况下的安全系数分别为5.1、5.6、6.5、5.8、6.6、8.6。

由以上结果可知，各种工况下，臂架的稳定性符合规范的要求，并且安全系数均有较大的储备。

3 结论

计算验证了臂架的屈服和屈曲强度都能满足《规范》的要求，说明该臂架的设计是可行的。

本文对臂架强度和稳定性校核方面做了一些工作，但是仍有不少问题需要进一步研究探讨，主要体现在以下两个方面。

l)臂架模型的简化还存在一定的问题，特别是杆与板架的连接处的简化，这些位置的板上往往出现应力集中，不能准确地反应映力大小，如果详细建模，又会增大工作量，计算成本增加，因此，要找到一些更加合理的简化方法去模拟连接处的模型。

2)海洋环境很恶劣，船体的晃动会使臂架产生很大动载荷，本文对臂架的计算都是基于静力分析，没有考虑动载荷的影响，虽然依据规范加入了动力的修正系数，但计算结果并不一定能反映实际情况，如果用动力学分析方法，又会在很大的程度上增加计算成本，如何既准确又经济地计算这种大型、复杂结构的应力，还有待进一步的研究。

［1］陈 峰.80 t履带式起重机臂架的有限元分析［D］.长春:吉林大学，2009.

［2］中国船级社.船舶与海上设施起重设备规范［S］.北京:人民交通出版社，2007.