(中集海洋工程研究院有限公司， 山東 煙臺(tái) 264670)

基于ABAQUS的海工用吊梁優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)

韓華偉

(中集海洋工程研究院有限公司，山東煙臺(tái)264670)

該文基于專業(yè)的有限元分析軟件和行業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過對海工用吊梁的安全性和經(jīng)濟(jì)性分析，優(yōu)化了吊梁結(jié)構(gòu)，平衡了吊梁自身重量和起吊能力的關(guān)系，為今后吊梁的安全性、經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)提供了分析計(jì)算流程，具有良好的借鑒意義。

吊梁；失穩(wěn)；慣性釋放

0 引言

隨著海洋工程制造業(yè)的不斷發(fā)展，模塊建造的高效化趨勢越來越明顯，進(jìn)而產(chǎn)生大量的模塊吊裝作業(yè)需求。在模塊吊裝的作業(yè)過程中，高空作業(yè)受到側(cè)向風(fēng)、不均勻吊裝等不穩(wěn)定因素的危險(xiǎn)性很大，現(xiàn)有的吊梁大多自身重量過大、吊點(diǎn)位置布局不科學(xué)而導(dǎo)致吊梁強(qiáng)度和疲勞問題頻現(xiàn)，進(jìn)而降低了吊裝效率。基于此，將吊梁應(yīng)用在模塊吊裝作業(yè)中，既可以達(dá)到平衡吊裝載荷的目的，又可以增加吊裝作業(yè)的范圍，在海洋工程結(jié)構(gòu)建造和合攏作業(yè)中應(yīng)用廣泛。吊裝能力的高效化一直是模塊吊裝追求的指標(biāo)，影響吊裝能力指標(biāo)的主要因素是吊梁強(qiáng)度和吊梁本身的重量，在保證吊梁本身強(qiáng)度的基礎(chǔ)上追求吊梁自身重量的輕量化是目前研究方向的重點(diǎn)。

隨著數(shù)值分析技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的迅速發(fā)展，許多工程實(shí)際應(yīng)用問題可以得到有效地解決。該文基于某海工吊裝用300 t吊梁，采用有限元分析技術(shù)和海工規(guī)范經(jīng)驗(yàn)校核相結(jié)合的方法，采用非線性有限元分析仿真，得到吊梁的整體受力情況，并對吊梁的穩(wěn)定性和總體彎曲強(qiáng)度做了校核，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)和焊接工藝，在實(shí)際生產(chǎn)中得到了良好的應(yīng)用。

1 吊梁優(yōu)化設(shè)計(jì)的有限元分析

吊梁的受力分布情況和銷軸的分布與實(shí)際作業(yè)工況有關(guān)，圖1所示為吊梁結(jié)構(gòu)總圖，吊梁的分析既要包括總體的強(qiáng)度校核，還要包括總體穩(wěn)定性和吊點(diǎn)銷軸的校核。結(jié)構(gòu)剛度過大雖然可以保證總體的強(qiáng)度，但是會(huì)導(dǎo)致局部的應(yīng)力過大。因此，該文采用整體有限元分析與局部手工經(jīng)驗(yàn)公式校核相結(jié)合的方式完成結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 吊梁結(jié)構(gòu)總圖

1.1有限元模型仿真

在ABAQUS里進(jìn)行前處理并且按照實(shí)際工況添加載荷，因?yàn)榈跹b過程中的載荷不平衡會(huì)導(dǎo)致模型產(chǎn)生剛體位移，導(dǎo)致分析無法收斂，為了避免這種情況，滿足該吊裝過程是瞬態(tài)的靜平衡，但是為了模擬真實(shí)的吊裝過程，采用的吊點(diǎn)約束很容易導(dǎo)致吊梁的6方向自由度發(fā)生剛體移動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致分析的誤差，吊梁模型如圖2所示。該文采用彈簧模擬鋼絲繩如圖3所示，合理調(diào)整彈簧剛度，增加適量彈性連接的方式分析整個(gè)吊裝過程。模塊剛被起升，速度由零開始增加，吊裝分析過程中采用的慣性釋放平衡方程為：

(1)

(2)

采用如上方式，在吊梁的下方設(shè)計(jì)4個(gè)彈簧，在確保該處的支反力不大、不影響分析結(jié)果的前提下校核整個(gè)吊梁。

圖2 吊梁模型 圖3 吊梁彈簧仿真

1.2計(jì)算結(jié)果后處理

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，吊梁的總體強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，應(yīng)力較大區(qū)域主要集中在吊點(diǎn)和銷軸附近區(qū)域，該位置區(qū)域的網(wǎng)格在細(xì)化到T×T后顯示應(yīng)力超出許用應(yīng)力值[1]，常規(guī)做法是在局部區(qū)域做適當(dāng)?shù)陌宀姆指畈⒓雍?，但是板厚增加?dǎo)致重量急劇增加，而且應(yīng)力改善效果并不明顯，局部細(xì)化網(wǎng)格如圖4所示。根據(jù)應(yīng)力分布區(qū)域和變化趨勢，考慮到該處應(yīng)力超標(biāo)是由于總體的彎曲強(qiáng)度不足，對吊梁的上下縱向梯形材進(jìn)行加強(qiáng)優(yōu)化，效果明顯，同時(shí)保證了總體強(qiáng)度和局部強(qiáng)度，總體強(qiáng)度分析結(jié)果如圖5所示。

圖4 局部細(xì)化網(wǎng)格 圖5 總體強(qiáng)度分析結(jié)果

2 吊梁優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1失穩(wěn)性能評估

圖6 危險(xiǎn)區(qū)域方向應(yīng)力

失穩(wěn)是指結(jié)構(gòu)不能再承受附加的豎向力，此時(shí)結(jié)構(gòu)的抗壓剛度喪失，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。失穩(wěn)從性質(zhì)上可以分為三類：平衡分岔失穩(wěn)、極值點(diǎn)失穩(wěn)和躍越失穩(wěn)。結(jié)構(gòu)的破壞是結(jié)構(gòu)內(nèi)部抵抗力的突然消失，無論該破壞發(fā)生在彈性變形階段還是塑性變形階段，破壞的特征是一致的，而且此種失穩(wěn)破壞發(fā)生的比較突然，一旦發(fā)生失穩(wěn)，機(jī)構(gòu)隨即崩潰，其后果往往比結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞更危險(xiǎn)[2]。

該文中提取危險(xiǎn)位置的單元方向應(yīng)力如圖6所示，根據(jù)海工行業(yè)規(guī)范評估板架結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)性能和結(jié)構(gòu)優(yōu)化[3、4]，校核理論基礎(chǔ)見式(3)。

圖7 失穩(wěn)性能校核

(3)

結(jié)果表明結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性沒有問題，可以對結(jié)構(gòu)進(jìn)行部分優(yōu)化，失穩(wěn)性能校核如圖7所示。

圖8 簡化銷軸結(jié)構(gòu)

2.2銷軸強(qiáng)度評估

銷軸位置的分析需要考慮鋼絲繩和銷軸之間的接觸，該接觸應(yīng)力的模擬復(fù)雜而且耗時(shí)，考慮到吊梁的整體分析和局部的經(jīng)驗(yàn)校核，將兩者之間的接觸用等效鋼絲繩直徑的接觸面來傳遞載荷，提取該位置的受力數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，經(jīng)過對比，簡化后的處理方式和實(shí)際接觸模擬分析差別很小，這樣既節(jié)省了后處理時(shí)間，又沒有影響設(shè)計(jì)，簡化銷軸結(jié)構(gòu)如圖8所示。

載荷分配

T2=T1·sin30°=58.2t

彎曲應(yīng)力

Wxx=170 138mm3

剪應(yīng)力

Ax=2 664mm2

壓應(yīng)力

通過計(jì)算可以看出，在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，吊梁的總體結(jié)構(gòu)包括局部關(guān)鍵構(gòu)件銷軸的強(qiáng)度滿足彎曲、剪切和壓載的應(yīng)力要求，在考慮了2%的焊接重量的基礎(chǔ)上，成功的將安全載荷300t吊梁的重量控制在35t以內(nèi)。

3 結(jié)束語

該文采用有限元分析軟件與手工經(jīng)驗(yàn)校核相結(jié)合的方式，對某300t海工用吊梁進(jìn)行了仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證吊梁安全性能的情況下將吊梁的重量降到最輕，同時(shí)滿足了現(xiàn)場的高效吊裝需求，并得出如下結(jié)論：

(1) 在吊梁的設(shè)計(jì)過程中要充分考慮吊梁的實(shí)際應(yīng)用工況，根據(jù)工況優(yōu)化吊點(diǎn)區(qū)域的局部結(jié)構(gòu)，同時(shí)大幅減弱非吊點(diǎn)區(qū)域結(jié)構(gòu)來降低吊梁自重；

(2) 吊梁本身存在較大的拉壓應(yīng)力，需要按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行詳細(xì)的屈曲失穩(wěn)校核，避免使用過程中出現(xiàn)沒有超重而由于穩(wěn)性出現(xiàn)安全問題。

[1] 李華,顧強(qiáng),劉華鋒.基于Ansys Workbench的鋼絲螺套接觸有限元分析[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2012 ,34(19):3-5.

[2] 孫訓(xùn)方,方孝淑,關(guān)來泰.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社,2000.

[3] DNV-RP-C201.Buckling Strength of Plated Structures[S].2010.

[4] DNV-OS-C301.Stability and Watertight Integrity[S].2010.

TheOptimizationDesignofSpreaderBeamSimulationBasedonABAQUS

HAN Hua-wei

(CIMC Offshore Engineering Institute， Shandong Yantai 264670, China)

Based on ABAQUS and design experience, considering the safety and economic design of the spreader beam, a whole design is performed which optimize the structure and balance the self weight and lifting capacity. And give a whole design schedule for the future design.

spreader beam; buckling; quality matrix

2014-03-03

工信部《高效輕量化吊機(jī)設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù)》項(xiàng)目(工信部聯(lián)裝[2011]530號)。

韓華偉(1980-)，男，工程師。

1001-4500(2015)01-0001-04

TP391.7

： A