王遠(yuǎn)友 許成斌 殷 鵬 徐兆光 岳增可 王 欣

1 大連船舶重工集團(tuán)有限公司2 大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

1 引言

造船用門式起重機(jī)是造船港口碼頭常見的船體吊載裝配設(shè)備。隨著運(yùn)輸船舶日趨大型化，造船用門式起重機(jī)正朝著大型化、高速化、重載化方向發(fā)展。起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)是起重機(jī)的主要承載部件，也是起重機(jī)最主要的組成部分。起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)是典型的焊接箱型結(jié)構(gòu)，在交變載荷作用下會(huì)出現(xiàn)疲勞損傷，當(dāng)疲勞損傷累積到一定程度時(shí)，起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)便會(huì)發(fā)生疲勞斷裂，造成災(zāi)難性事故。對(duì)大型化、老齡化的起重機(jī)而言，疲勞破壞引起的事故更容易發(fā)生，存在較大的安全隱患，一旦發(fā)生事故，將會(huì)造成重大的人員傷亡，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。

為了準(zhǔn)確地對(duì)起重機(jī)疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，許多學(xué)者對(duì)疲勞壽命的預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了研究與改進(jìn)，隨著人們對(duì)疲勞機(jī)理研究的深入，現(xiàn)在已發(fā)展出多種疲勞壽命預(yù)測(cè)的方法。T-Ghidini等通過對(duì)不同材料構(gòu)件在不同載荷下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，論證了運(yùn)用斷裂力學(xué)理論進(jìn)行構(gòu)件疲勞壽命預(yù)測(cè)的可行性[1]；李鵬等通過對(duì)橋式起重機(jī)主梁的實(shí)測(cè)應(yīng)力時(shí)間歷程數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到了主梁的應(yīng)力幅譜，根據(jù)名義應(yīng)力法預(yù)測(cè)起重機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命[2]；吳曉等以Paris公式的等幅載荷疲勞裂紋擴(kuò)展壽命計(jì)算公式為基礎(chǔ)，結(jié)合Miner線性累積損傷理論，推導(dǎo)了一種用于變幅和隨機(jī)載荷的起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命計(jì)算模型[3]。

本文以使用多年的440 t級(jí)造船門式起重機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行載荷試驗(yàn)，目的是了解長(zhǎng)期使用對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平的影響，驗(yàn)證有限元模型建立的可行度[4-5]，為后續(xù)疲勞分析提供合理的計(jì)算模型。

2 應(yīng)力測(cè)試方案

本次試驗(yàn)對(duì)象為440 t級(jí)造船門式起重機(jī)的主梁和剛腿，試驗(yàn)用數(shù)據(jù)采集儀器及元件見表1。

應(yīng)變測(cè)試共3組，18個(gè)測(cè)點(diǎn)，布置位置見圖1，其中，組1、組2位于主梁跨中處；組3位于剛腿與主梁連接附近。測(cè)點(diǎn)的選擇相互對(duì)稱，便于結(jié)果對(duì)比分析，并在焊縫附近，可以了解焊縫附近的應(yīng)力水平。

表1 試驗(yàn)主要的設(shè)備與儀器

圖1 測(cè)點(diǎn)位置

進(jìn)行2次實(shí)物載荷試驗(yàn)。每次載荷試驗(yàn)時(shí)，負(fù)載都是從柔腿側(cè)起升，然后向跨中和剛腿側(cè)移動(dòng)。負(fù)載在柔腿側(cè)、跨中和剛腿側(cè)時(shí)，相對(duì)靜止一定時(shí)間，記錄測(cè)試值。共獲得5個(gè)測(cè)試工況，見表2。表2中實(shí)際載荷是從起重機(jī)的力限器系統(tǒng)中讀取。同次吊裝時(shí)，載荷數(shù)值存在一定的差異，這與力限器的測(cè)量誤差有關(guān)。

表2 各工況詳細(xì)情況表

3 有限元計(jì)算模型與計(jì)算

采用Shell181殼單元和Beam188梁?jiǎn)卧冗M(jìn)行結(jié)構(gòu)的主梁(殼單元)、剛腿(殼單元)和柔腿(梁?jiǎn)卧?的有限元建模。柔腿頂部與主梁采用耦合方式連接。整體結(jié)構(gòu)(承壓板、橫隔板、腹板等)采用四邊形和三角形網(wǎng)格劃分單元，單元總數(shù)280 066，節(jié)點(diǎn)總數(shù)275 791。

考慮到起重機(jī)支腿為一剛一柔，以及起重機(jī)在實(shí)際作業(yè)時(shí)大車車輪既不能脫離又不能偏離大車軌道的實(shí)際情況，對(duì)剛性支腿一端約束起重機(jī)高度方向UY、軌道方向UZ以及主梁軸線方向UX的位移約束；柔性腿處也約束UX、UY、UZ這3個(gè)方向位移。模型載荷包括小車機(jī)構(gòu)自重和負(fù)載，不考慮結(jié)構(gòu)自重。載荷以節(jié)點(diǎn)載荷方式施加在主梁上小車機(jī)構(gòu)各車輪與主梁軌道的接觸處。結(jié)構(gòu)有限元模型及載荷、約束情況見圖2(以工況2為例)。

圖2 結(jié)構(gòu)有限元模型

根據(jù)上述測(cè)試工況進(jìn)行有限元計(jì)算，獲得工況2的應(yīng)力與位移云圖，見圖3～5。

圖3 工況2下X方向應(yīng)力云圖

圖4 工況2下Y方向位移云圖

圖5 工況2下X方向位移云圖

4 結(jié)果對(duì)比分析

主梁和剛腿測(cè)點(diǎn)的有限元結(jié)果與測(cè)試結(jié)果及對(duì)比見圖6和表3。個(gè)別測(cè)點(diǎn)存在數(shù)據(jù)漂移情況，對(duì)比時(shí)不計(jì)。從圖表對(duì)比中可得以下結(jié)論。

(1)同一測(cè)試工況下，主梁上對(duì)稱布置的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)基本相同。不同測(cè)試工況下，隨著負(fù)載從柔腿側(cè)向跨中和剛腿側(cè)推移，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力由小到大再到小的變化趨勢(shì)，符合理論分析趨勢(shì)。即測(cè)點(diǎn)在主梁跨中，則負(fù)載在跨中時(shí)彎矩最大，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力最大，在70 MPa左右。負(fù)載在柔腿側(cè)和剛腿側(cè)時(shí)，彎矩小，則測(cè)點(diǎn)應(yīng)力也隨之減小。有限元計(jì)算值與測(cè)試值對(duì)比結(jié)果可以看出，兩者結(jié)果差異不大，表明結(jié)構(gòu)在使用后的應(yīng)力水平變化不大。兩者誤差普遍在±10%以內(nèi)，個(gè)別在±20%上下，而且變化趨勢(shì)相近。由此也說明了所建立的有限元的合理性。

表3 剛腿結(jié)果對(duì)比

(2)在同一測(cè)試工況下，對(duì)稱布置的剛腿測(cè)點(diǎn)應(yīng)力基本相同。不同測(cè)試工況下，隨負(fù)載從柔腿側(cè)向跨中和剛腿側(cè)移動(dòng)時(shí)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力逐漸增大，因?yàn)榭缰泻腿嵬纫来芜h(yuǎn)離剛腿側(cè)，對(duì)剛腿的應(yīng)力影響也小，負(fù)載在剛腿側(cè)時(shí)應(yīng)力最大，在35 MPa左右。有限元計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果對(duì)比，由于數(shù)值基數(shù)小，1～2 MPa的變化會(huì)引起較大的誤差變化，因此采取了差值對(duì)比。兩者的應(yīng)力水平相當(dāng)，表明結(jié)構(gòu)使用一定時(shí)期后的應(yīng)力水平基本沒有變化，同時(shí)也表明有限元模型的合理性。

有限元計(jì)算值和測(cè)試值之間存在誤差的可能原因有以下3點(diǎn)：

(1)實(shí)際測(cè)試的載荷存在偏差，從同次載荷試驗(yàn)可以看出，載荷的測(cè)試上有一定差異。

(2)實(shí)際吊裝過程中，會(huì)存在一定的風(fēng)載，這在計(jì)算時(shí)未考慮。

(3)測(cè)點(diǎn)位置與應(yīng)變片方向存在一定偏差。有限元選取的測(cè)點(diǎn)位置也會(huì)因網(wǎng)格劃分情況存在一定偏差。

此外，還測(cè)試了主梁跨中的撓度，與有限元計(jì)算的結(jié)果對(duì)比見表4。從表中看出，兩者的計(jì)算差異在±10%以內(nèi)，表明結(jié)構(gòu)的剛度狀態(tài)良好。

表4 主梁跨中撓度對(duì)比

5 結(jié)語

通過對(duì)門式起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)，獲取了主梁、剛腿處的應(yīng)力，結(jié)果表明其結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平與剛度狀況較好。將該應(yīng)力與有限元計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力相互對(duì)比，兩者的差異性較小，表明有限元模型建立的合理性，可為進(jìn)一步的疲勞模型建立與計(jì)算提供依據(jù)。