汪偉

中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司

卷揚(yáng)式升船機(jī)承船平臺(tái)有限元分析研究

汪偉

中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司

1 引言

卷揚(yáng)式升船機(jī)利用排列在港池兩側(cè)的卷揚(yáng)機(jī)吊點(diǎn)裝置，提升或放下坐船的承船平臺(tái)，完成小到中型船舶的上排下水作業(yè)。相對(duì)斜船架等傳統(tǒng)的下水設(shè)備，卷揚(yáng)式升船機(jī)具有效率高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。

在作業(yè)過程中，船舶在承船平臺(tái)上落墩。作為升船機(jī)主要的受力構(gòu)件，平臺(tái)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度與設(shè)備使用安全性密切相關(guān)，是設(shè)計(jì)人員需要重點(diǎn)考慮的問題。首先應(yīng)用耦合和接觸算法對(duì)帶動(dòng)滑輪架的承船平臺(tái)進(jìn)行整體建模分析。在此基礎(chǔ)上，利用耦合和接觸分析結(jié)果作為輸入條件，對(duì)動(dòng)滑輪架進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)分析，從而發(fā)現(xiàn)原始設(shè)計(jì)缺陷并改進(jìn)。

2 建模分析

ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件，是世界范圍內(nèi)增長最快的計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件，能與多數(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD，computer Aided design）軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換。下面的有限元分析在Ansys平臺(tái)進(jìn)行。

2.1 整體建模分析

(1)主要結(jié)構(gòu)特征

承船平臺(tái)主要由吊點(diǎn)梁、軌道梁、聯(lián)系梁等組成。其中箱型結(jié)構(gòu)吊點(diǎn)梁為主承載構(gòu)件，內(nèi)部布置隔板及角鋼以加強(qiáng)其剛度。吊點(diǎn)梁兩端通過銷及螺栓副與動(dòng)滑輪組件聯(lián)系，如圖所示。作業(yè)時(shí)，吊點(diǎn)卷揚(yáng)機(jī)通過收放纏繞在動(dòng)滑輪組上的鋼絲繩來提升或放下平臺(tái)；移船時(shí)，通過氣動(dòng)銷插入動(dòng)滑輪架上部的銷孔來固定承船平臺(tái)。

圖1 平臺(tái)與動(dòng)滑輪組件裝配圖

(2)建模

三個(gè)吊點(diǎn)梁組成一個(gè)小的主動(dòng)平臺(tái)，這里對(duì)主動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行剛度和強(qiáng)度分析。考慮到對(duì)稱性，采用Ansys apdl對(duì)主動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行四分之一建模，模型對(duì)稱面施加對(duì)稱約束。模型中包括中間平臺(tái)，動(dòng)滑輪架，隨船小車。其中中間平臺(tái)、動(dòng)滑輪架及隨船小車采用殼單元進(jìn)行模擬。中間平臺(tái)與動(dòng)滑輪架之間通過銷軸連接，銷軸采用實(shí)體單元模擬。隨船小車與平臺(tái)之間建立接觸對(duì)。中間平臺(tái)、銷軸及動(dòng)滑輪架之間兩兩建立接觸對(duì)。動(dòng)滑輪架與平臺(tái)之間螺栓連接處節(jié)點(diǎn)耦合位移自由度，模擬螺栓副。

圖2 1/4主動(dòng)平臺(tái)有限元模型

(3)工況及約束條件

這里只研究平臺(tái)落銷的工況。此時(shí)氣動(dòng)銷的銷體插入動(dòng)滑輪架上部銷孔，平臺(tái)整體坐在氣動(dòng)銷上，為移船做好準(zhǔn)備。動(dòng)滑輪架與氣動(dòng)銷接觸梨形孔處節(jié)點(diǎn)約束X、Y、Z方向位移。船舶作用在隨船小車上，簡化為均布載荷作用在小車上表面。

表1 落銷時(shí)動(dòng)滑輪架受外力（單位：N）

(4)計(jì)算結(jié)果

基于以上模型、載荷及約束，同時(shí)考慮了材料的非線性效應(yīng)，經(jīng)過計(jì)算得到了整體結(jié)果的應(yīng)力及變形云圖。豎直方向最大位移位于吊點(diǎn)梁中心位置，如圖所示，最大撓度/跨度比小于1/750；最大主體應(yīng)力200MPa，應(yīng)力云圖略。應(yīng)力及變形均符合設(shè)計(jì)要求。

圖3 主動(dòng)平臺(tái)豎直方向位移云圖

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果取得動(dòng)滑輪架在氣動(dòng)銷孔的約束外力；各螺栓副處耦合點(diǎn)的外力；及平臺(tái)銷孔處接觸外力，如表1所示。獲取的數(shù)值作為后續(xù)動(dòng)滑輪架的輸入載荷進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。

2.2 動(dòng)滑輪架詳細(xì)建模分析

(1)建模

動(dòng)滑輪架結(jié)構(gòu)較為簡單，而且是重要的受力構(gòu)件，有必要對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析。利用Ansys與Creo的接口，將Creo模型導(dǎo)入An?sys workbench，生成實(shí)體單元進(jìn)行分析。

(2)工況及約束條件

圖4 動(dòng)滑輪架有限元模型

將表格1的結(jié)果，作為氣動(dòng)銷孔、上下螺栓、平臺(tái)聯(lián)接銷孔處作用力輸入模型，同時(shí)在動(dòng)滑輪孔施加cylindrical support約束，保證動(dòng)滑輪架處于全約束狀態(tài)。

(3)計(jì)算結(jié)果

計(jì)算中發(fā)現(xiàn)動(dòng)滑輪架上部腹板直角處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，將其更改為圓角，并重新進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示應(yīng)力集中大為改善。改進(jìn)后的應(yīng)力結(jié)果如圖所示，主體應(yīng)力小于277MPa，符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

圖5 動(dòng)滑輪架等效應(yīng)力云圖

3 結(jié)束語

基于有限元軟件Ansys，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征，首先采用殼單元對(duì)帶動(dòng)滑輪架的承船平臺(tái)進(jìn)行整體分析。在此基礎(chǔ)上，將分析結(jié)果輸出耦合節(jié)點(diǎn)力及接觸力作為動(dòng)滑輪架詳細(xì)分析的輸入條件。根據(jù)實(shí)際需要，分析過程采用由粗到細(xì)的步驟進(jìn)行。發(fā)現(xiàn)了動(dòng)滑輪架原始設(shè)計(jì)的缺陷，提出修改意見，并再次分析驗(yàn)證。

[1]金龍，李宜燃，王敏.升船機(jī)承船廂結(jié)構(gòu)有限元分析研究[J].機(jī)電工程，2014(4):466-469

[2]王晉媛，石端偉，鮑務(wù)均.三峽升船機(jī)承船廂的有限元分析[J].水利電力機(jī)械，2000(6):41-42

Study on Finite Element Analysis of Shilift Platform

Wang Wei
China Shipbuilding NDRI Engineering CO.,LTD

卷揚(yáng)式升船機(jī)是船廠中一種高效的上排下水設(shè)備。承船平臺(tái)作為升船機(jī)主要的受力構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度與設(shè)備使用安全性密切相關(guān)。首先應(yīng)用耦合和接觸算法對(duì)帶動(dòng)滑輪架的承船平臺(tái)進(jìn)行整體建模分析。進(jìn)一步取得動(dòng)滑輪架的詳細(xì)分析結(jié)果，并指導(dǎo)改進(jìn)設(shè)計(jì)。

卷揚(yáng)式升船機(jī)；承船平臺(tái)；有限元分析

Hoisting shiplift is a type of efficient ship launching and retrieve equipment.As main bearing structure,the strength and rigidity of ship carrying platform highly concern the security of the whole equipment.Firstly,the platform with free pulley block frame is modeled.The coupling and contract algorithm are adopted to simu?late the connections.Moreover,the free pulley block frame is ana?lyzed detailed to improve the design.

Hoisting shiplift；platform；FEA

汪偉（1983-），男，碩士研究生，機(jī)械工程師，主要從事非標(biāo)設(shè)備設(shè)計(jì)。