裴文華，王曉波，趙 霞

（太倉武港碼頭有限公司，江蘇 太倉215400）

浮吊即浮式起重機.由于海上條件惡劣，浮吊作業(yè)范圍廣，工況復(fù)雜，而且浮吊的金屬結(jié)構(gòu)龐大，對其性能的要求高，其設(shè)計至關(guān)重要.借助有限元分析方法，可以對其性能進行全面了解，并在保證安全使用的前提下得到較好的經(jīng)濟性.本文采用有限元分析軟件ANSYS11.0對900t浮吊金屬結(jié)構(gòu)進行整機分析，計算其在不同工況下結(jié)構(gòu)的受力變形.

1 900 t全回轉(zhuǎn)浮吊結(jié)構(gòu)概述

900t全回轉(zhuǎn)浮吊結(jié)構(gòu)主要由臂架、人字架、轉(zhuǎn)臺總成、回轉(zhuǎn)支承裝置等組成（圖1）.

圖1 900t浮吊金屬結(jié)構(gòu)總圖

其最大起重量為900t，主吊鉤水面起升高度為65m，副吊鉤水面起升高度為75m.主吊鉤最大工作幅度為60m，副吊鉤最大工作幅度為67m，最小工作幅度為24.5m.這些結(jié)構(gòu)通過滾輪支承在固定于甲板上的圓筒結(jié)構(gòu)上，回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置驅(qū)動其旋轉(zhuǎn).整個回轉(zhuǎn)支承裝置可以當作是一個大的回轉(zhuǎn)軸承，每個滾輪既可以相對于上部軌道滾動，也可以相對于固定在圓筒上的下軌道轉(zhuǎn)動，每個滾輪承受上部回轉(zhuǎn)部分的垂直載荷，水平載荷由安裝在旋轉(zhuǎn)中心的小筒體承受，配重和反滾輪承受由吊重和臂架自重產(chǎn)生的傾覆力矩.起重機和吊重產(chǎn)生的所有載荷通過變幅鋼絲繩和臂架傳遞給下部支承圓筒，再作用到船體甲板上.

2 浮吊結(jié)構(gòu)有限元模型

利用ANSYS11.0對900t浮吊進行整機有限元建模分析，采用多種單元類型分別模擬各部分結(jié)構(gòu).用梁單元beam188模擬人字架和轉(zhuǎn)臺；用板單元shell63模擬支承圓筒結(jié)構(gòu)和臂架頭部與尾部；用管單元pipe16模擬臂架中部的圓管；用只有拉伸剛度的link10單元模擬鋼絲繩；用只有壓縮剛度的link10單元模擬支承滾輪和反滾輪；將機構(gòu)和配重塊簡化成質(zhì)量塊，用質(zhì)量單元mass21模擬.材料的彈性模量E＝2.1×105MPa，泊松比μ＝0.3.

模型的笛卡爾直角坐標系中，X方向為臂架方向，Y方向為起重機的高度方向，Z方向為右手定則確定，坐標系的原點位于支承圓筒中心與甲板交點處.

一般在建模過程中，會用單元連接節(jié)點以建立不同自由度的關(guān)系.臂架與人字架的連接靠銷軸，使臂架可以繞銷軸的軸線轉(zhuǎn)動.因此這兩者的節(jié)點的六個自由度并不相同，可以通過ANSYS的耦合功能，耦合臂架與人字架連接處節(jié)點的五個自由度，釋放繞Z軸旋轉(zhuǎn)的自由度［1］，從而模擬銷軸的連接情況.由于在建模過程中會有一些簡化，導(dǎo)致模型與實際質(zhì)量有偏差，影響計算結(jié)果，一般的質(zhì)量補償方法有重力加速度補償法、密度補償法和質(zhì)量補償法.本文應(yīng)用密度補償法對各部分結(jié)構(gòu)的密度做一些調(diào)整，以達到和實際情況相近.有限元模型如圖2所示，共有36 743個節(jié)點，38 250個單元.

圖2 浮吊結(jié)構(gòu)有限元模型

3 載荷工況

浮吊所受載荷主要包括起重機自重載荷、起升載荷、主副鉤重量、風載荷、船舶傾斜載荷、由起重機回轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的離心力等.計算風載荷時，正常工作風速為25m／s，非工作風速為55m／s.船舶傾斜角度依據(jù)《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》［2］來定，考慮到海浪的作用，浮吊應(yīng)該在船舶橫傾5°，縱傾2°時仍能安全有效的工作.回轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的離心力主要指起升載荷上的水平慣性力，作用在起重機結(jié)構(gòu)上的離心力可以忽略不計.

3.1 無風工作

當浮吊工作時，除了起吊貨物的載荷，主鉤（或副鉤）以及隨貨物運動的動滑輪重量作為附加的起升載荷，一起算作總的起升載荷

式中：G為自重載荷；Q為起升載荷；φh為起升動載系數(shù)；φh＝1.1，且φd為操作系數(shù)，且φd＝1.05.

3.2 有風工作

在綜合考慮風載荷的影響下，有

式中W為風載荷.

3.3 非工作狀態(tài)

此狀態(tài)臂架要放置規(guī)定角度，即放置在臂架擱置架上、船舶航行、停泊.

3.4 計算工況列表

依據(jù)《起重機設(shè)計規(guī)范》［3］選取載荷組合，固定帶載工況見表1，回轉(zhuǎn)帶載工況見表2.

表1 固定帶載工況

表2 回轉(zhuǎn)帶載工況

4 有限元計算結(jié)果及分析

在不同的載荷工況下，分別加載計算得出整機的分析結(jié)果.浮吊的主要結(jié)構(gòu)部件臂架采用材料Q460B，許用應(yīng)力為277MPa；人字架材料為A36，許用應(yīng)力為207MPa；轉(zhuǎn)臺采用的材料為Q345C，許用應(yīng)力為207MPa；圓筒采用的材料為Q235C，許用應(yīng)力為141MPa.不同幅度下計算的各部分構(gòu)件最大應(yīng)力見表3.

由表3可知，每部分構(gòu)件的最大應(yīng)力都在許用范圍內(nèi)，強度滿足條件，其中臂架的應(yīng)力最大，其最大值有260MPa.臂架作為主要的承載構(gòu)件，不僅有較大的自重，還要承受由貨物及鋼絲繩所產(chǎn)生的軸向壓力及由偏擺產(chǎn)生的彎矩，還有一定的風載，在垂直臂架方向，風載荷最大.臂架受力復(fù)雜，因此其結(jié)構(gòu)至關(guān)重要.本文中分析的900t浮吊臂架采用筒體截面組合而成.第一，可以減少迎風面積，減少作用在臂架上的風載荷；第二，此種形式的臂架結(jié)構(gòu)在臂架變幅平面內(nèi)的承載性能高，這與臂架結(jié)構(gòu)的整體受力特性相符；第三，臂架采用薄壁圓筒組合結(jié)構(gòu)，其抗屈曲能力強，不需要增加縱向筋，也能保證穩(wěn)定性，從而減輕了臂架的自重.

表3 主要結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力

對浮吊整機有限元模型進行處理，去掉下部支承圓筒單元，將支承滾輪與反滾輪全約束［4］，按照上面載荷組合工況分別計算可得每種工況下的滾子最大輪壓（表4、表5）.

最大輪壓為2 509.7kN，出現(xiàn)在非工作狀態(tài)，風向垂直臂架.工作狀態(tài)最大輪壓為1 265.6kN，出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)吊載工況，幅度為60m，起重量為150t.回轉(zhuǎn)帶載時最大輪壓會比固定帶載時稍大一些.回轉(zhuǎn)支承裝置的滾輪將浮吊上部回轉(zhuǎn)部分的自重、水平力及各種載荷產(chǎn)生的傾覆力矩傳遞到下部支承圓筒，最后傳遞到船上的甲板.當傾覆力矩較大時，有些滾子會出現(xiàn)不受力的狀態(tài).

表4 固定帶載工況最大輪壓

表5 回轉(zhuǎn)帶載工況最大輪壓

［1］沈 瑩，王悅民.1 300t浮式起重機金屬結(jié)構(gòu)有限元分析［J］.起重運輸機械，2005（4）：4－7.

［2］中國船級社.船舶及海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范2007［S］.北京：人民交通出版社，2007.

［3］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局 中國國家標準化管理委員會.GB3811—1983起重機設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國標準出版社，2008.

［4］盧凱良，邱惠清，宋甲強，等.7500t浮吊回轉(zhuǎn)支承輪壓仿真計算與實測驗證［J］.機械設(shè)計，2009，26（12）：19－23.