杜雷雨,鄒 強,洪 亮

(1.南京理工大學 能源與動力工程學院, 南京 210094;2.海軍工程大學 兵器學院, 武漢 430033)

0 引言

船載起重機是船舶自帶的一種特殊設備,主要用于船舶之間、船舶與海上平臺之間和船舶與岸上之間貨物的轉移,船在海上工作時補給等情況。和陸上起重機不同的是,船載起重機會受到風、浪、流等影響,在工作時還受到各種負面耦合作用,影響起重機工作的安全性;且海上環(huán)境更為潮濕,空氣中含有多種化學元素,對起重機造成腐蝕,影響起重機的使用壽命。

針對船載起重機的特殊性,全世界學者做了大量的研究去減小或消除海洋產(chǎn)生的負面影響。韓廣冬等[1]提出了一種利用套管的剛性約束來減小吊索的搖擺幅度的新型船用起重機伸縮套管減搖裝置,并通過實驗驗證了此裝置的可行性和實用性。陳東等[2]設計了一種基于CAN總線的船用起重機自動定位控制系統(tǒng),通過實驗發(fā)現(xiàn):和傳統(tǒng)PID控制相比,此系統(tǒng)提高了起重機的自動轉運時間和目標定位精度,并可以減少一定的誤差。

碳纖維材料因其良好的力學性能和耐腐蝕性,可以進行對傳統(tǒng)鋼制起重機的替代。但碳纖維材料的價格相對于鋼材而言過高,且目前碳纖維起重臂的研究和應用較少。孟進軍等[3]介紹了輕質材料在工程起重機中的應用,目前碳纖維復合材料還未在起重機臂架中有應用;章崇任[4]介紹了俄羅斯汽車起重機起重臂使用碳纖維復合材料優(yōu)化升級的成果,升級后強度增加、更輕量化、可靠性變高;馬澤超等[5]設計了一種碳纖維輕木夾芯結構起重臂架,撓度和側偏均小于鋼制臂架,質量減輕了40%。

1 起重臂設計

船用起重機多為可伸縮折疊起重臂,伸縮折疊起重臂相較于傳統(tǒng)起重臂在不工作時可以大幅減少本就擁擠的甲板空間,且折疊后的起重機重心降低,可以一定程度地減少船舶航行過程中的搖擺。伸縮折疊起重機的最后一節(jié)伸縮臂一端與前一節(jié)伸縮臂固定,另一端與重物連接,為受力最復雜段,此節(jié)臂最容易發(fā)生斷裂失效。因此,針對船用起重機最后一節(jié)伸縮臂進行建模分析。

起重臂是起重機的主要受力部件,在工作時雙向受彎,海上復雜的環(huán)境使其受到的橫向剪切力相對陸地起重機更大,合理地選擇起重臂的截面可以加強起重機的抗彎和抗剪能力,優(yōu)化截面在壁厚相同的情況下也可以減輕起重臂的質量。伸縮式起重臂截面主要為四邊形、六面形、八面形、U形、梨形、橢圓形等,不同截面有不同的優(yōu)劣:四邊形結構簡單、應用廣泛;多邊形截面彌補了四邊形局部失穩(wěn)的缺點;橢圓形受力是相對最理想的截面,U形是經(jīng)過優(yōu)化計算后最合理的截面[6-8]。其中:四邊形截面由翼緣板和腹板焊接而成,制造工藝簡單。但此形狀截面不能充分發(fā)揮高強度材料的能力,不能很好地傳遞扭矩和橫向力;而且在四個點容易發(fā)生應力集中,底板和腹板受較大的壓應力,容易造成局部失穩(wěn),在海上復雜環(huán)境下此缺點更為明顯。

橢圓形截面上彎板為大圓弧槽型板,下彎板為橢圓形槽型板,相較于四邊形截面抗扭性能顯著提升,且擁有獨特的抗屈曲能力和穩(wěn)定性。但此截面需要側面支撐,制造工藝復雜,對焊接要求較高,目前應用較少。

U形截面上彎板為大圓角槽型彎板,下彎板為U形槽型彎板,其橫向抗彎剛度和抗扭剛度優(yōu)于其他形狀截面,上半部拉應力較大,提升了側板的穩(wěn)定性,下底板提高了抗局部失穩(wěn)能力,在連接處有較小的應力和應力分布,且有效減輕了起重臂的質量。

在相同截面積和相同受力情況下,U形截面擁有良好的力學性能,能最大程度地利用材料的機械性能,且質量較輕[9],綜合考慮選用U形截面。起重臂尺寸圖如圖1所示。

圖1 起重臂尺寸圖Fig.1 Lifting arm dimension diagram

圖2 起重臂碳纖維復合材料鋪層坐標系Fig.2 Frame of hoisting arm carbon fiber composite layer

2 碳纖維材料選擇與鋪層設計

碳纖維材料相對于傳統(tǒng)起重機所用的鋼材材料具有低密度、高比強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點,尤其在海上潮濕、復雜的工作環(huán)境中,碳纖維材料的起重臂擁有更好的力學性能和更長的使用壽命。對2種碳纖維材料T-300和T-700進行對比分析,選擇適合本設計的碳纖維材料。2種碳纖維材料的性能參數(shù)如表1所示[10-11]。T-700相較于T-300材料含碳量更高,其拉伸強度、拉伸模量和斷裂伸長率都要優(yōu)于T-300,T-700材料較T-300強度提升30%以上,但T-700材料的模量只是略高于T-300。

表1 T-300和T-700的性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of the T-300 and T-700

碳纖維材料裝置的設計要考慮其復合材料的特性,對其鋪層角度、鋪層順序、鋪層厚度等進行確定。

在實際的產(chǎn)品鋪層中,0°、±45°和90°最為常見,0°鋪層承受軸向載荷,±45°鋪層承受剪切荷載,90°鋪層承受橫向載荷,其他角度的鋪層也能承受剪切載荷,但是效果沒有±45°好。根據(jù)起重機的工作環(huán)境,其主要載荷為軸向載荷和側向風載荷,側向風載荷相對于軸向載荷而言很小,而90°鋪層的抗剪性能較差,在沒有90°鋪層時Tasi-Wu系數(shù)較小。因此不采用90°鋪層,采用±45°鋪層對抗側向的風荷載和剪切載荷。

馬澤超等[5]對不同厚度碳纖維起重臂進行研究,發(fā)現(xiàn)隨著壁厚的增加起重臂的撓度和偏移逐步減少,壁厚在15～20 mm時撓度減少幅度很小,側偏略有增加。因此,將起重臂的厚度定為18 mm,而每一層T-300和T-700碳纖維布的厚度為0.15 mm,需要鋪120層。

李進[12]研究了±45°鋪層數(shù)占總層數(shù)的關系,發(fā)現(xiàn)隨著±45°鋪層數(shù)與總層數(shù)比值x的增加,節(jié)臂受到的最大剪切力逐漸減小,但比值x的增加也將導致節(jié)臂末端的撓度增大,在占比為1∶3時可以兼顧二者達到最佳。

綜上,本設計的碳纖維起重臂不采用90°鋪層?！?5°和0°采用1∶2的比例鋪層,鋪層方案如表2所示。

表2 碳纖維復合材料鋪層方案Table 2 Carbon fiber composite coating scheme

3 約束和載荷

起重機在其工作平面內主要受力為臂身自重、貨物載荷、繩索拉力、風載荷等(圖3),對這些載荷分別進行計算并添加到模型中,為了計算方便,對一些載荷進行簡化和近似處理。

圖3 起重臂受力分析圖Fig.3 Force analysis diagram of lifting arm

1) 對起重臂這種大型部件來言,其自身的質量不容忽視,需添加重力,對應到Abaqus中為添加Y方向的重力加速度9 800。

2) 起重機的預設吊重為4 t,另外,將起重機末端重為300 kg的吊裝機構和鋼絲繩簡化轉換為力并作用在起重臂的末端。通過模擬分析可知起重臂在海上漂浮時沿臂方向向內的力Fz和垂直臂向下的力Fy分別為40 584.6 N和39 874.2 N。

3) 船用起重機所受的風載荷不能忽視,尤其是在三級海況下。起重機在工作時,起重機的不同面將處于迎風狀態(tài),因此無法準確施加風載荷,而本章節(jié)的目的為驗證所設計的碳纖維起重臂能否滿足各工況的需求,因此對起重機加上最大理論載荷。

查取起重設備設計規(guī)范,風載荷表示為

Fc=CqA

(1)

式中:C為風力系數(shù),查表取1.55;q為風壓,三級海況時為0.72～1.85 kg/m2;A為迎風面截面積。

4) 起重臂左端與另一節(jié)臂完全固定,在仿真時簡化為左端固定約束。

4 結果分析

4.1 失效分析

復合材料的強度分析經(jīng)過長時間的發(fā)展出現(xiàn)各種強度準則,本設計選擇用蔡吳失效系數(shù)作為判斷標準,對復合材料的每一層進行失效分析,蔡吳失效的表達準則為

(2)

式中:F11、F22、F1、F2、F12、F66為應力空間的強度參數(shù)。當強度比大于1時,表示材料失效,小于1時為未失效,且值越小則表示安全性越好。

對T-300、T-700兩種材料的起重臂進行有限元分析,得到2種材料每一層的T-W系數(shù)如圖4所示。從圖4中可以看出,2種材料起重臂每一層的最大T-W系數(shù)都遠小于1,說明在此工況下各層都未發(fā)生失效,且安全容量很高。此外,2種材料都為120層,T-300碳纖維起重臂相對于T-700碳纖維起重臂在相同層的T-W系數(shù)都較高,說明T-700碳纖維起重臂的安全性更好。另外,可以看出T-300起重臂0°鋪層的最大T-W系數(shù)要大于45°鋪層; T-700起重臂在前50層0°鋪層的最大T-W系數(shù)要大于45°鋪層,之后便反了過來。2種起重臂隨著鋪層層數(shù)的增加,45°鋪層最大T-W系數(shù)的增長速度比45°鋪層快,而T-700的首層最大T-W系數(shù)數(shù)值較小,所以會出現(xiàn)上述現(xiàn)象。其中,T-300碳纖維起重臂T-W系數(shù)最大值在120層為0.239 7,T-700碳纖維起重臂T-W系數(shù)最大值在120層為0.160 9。圖5、圖6分別為T-300和T-700最大T-W系數(shù)仿真結果圖。

圖4 T-300和T-700碳纖維鋪層層數(shù)與T-W系數(shù)Fig.4 Layer number and T-W coefficient of T-300 and T-700 carbon fibers

圖5 T-300第120層T-W系數(shù)Fig.5 T-300 the 120th layer T-W coefficient

圖6 T-700第119層T-W系數(shù)Fig.6 T-W coefficient of the 119th layer of T-700

4.2 撓度分析

傳統(tǒng)鋼制起重機多采用HG785作為起重臂材料,對于小的起升質量,臂架厚度多為5 mm和8 mm,本章分別對5 mm和8 mm的HG785材料起重臂進行仿真,對比分析鋼制起重臂和碳纖維起重臂的變形。起重臂在各種力的作用下會發(fā)生變形,但變形必須在一定的范圍內,不能超過規(guī)定的許用撓度極限。起重機臂的變形與臂長的關系為[13]

Fl≤0.1(LC/100)2

(3)

式中:Fl為起重臂末端軸線方向的靜位移;LC為起重臂總長度。設計的起重臂長為3 000 mm,代入式(3)可知,起重臂撓度極限為90 mm。

圖7—圖10為T-300和T-700兩種材料在軸線方向的位移圖。可以看出,T-300、T-700碳纖維起重臂在重力方向的位移分別為23.24 mm和22.05 mm,HG785起重臂壁厚分別為5 mm和8 mm時在重力方向的位移分別為43.22 mm和25.94 mm,每種材料起重臂在10個工況下的撓度都小于撓度極限,經(jīng)過對比,每種工況下T-700起重臂的撓度最小,T-300起重臂次之,隨后為8 mm的HG785起重臂,5 mm的HG785起重臂最大,說明碳纖維材料起重臂的抗彎曲能力較傳統(tǒng)鋼鐵材料有一定的提升,其中,HG785材料起重臂的抗彎曲能力與其厚度成正比關系。

圖7 T-300軸向方向位移圖Fig.7 T-300 axial displacement diagram

圖8 T-700軸向方向位移圖Fig.8 T-700 axial displacement diagram

圖9 HG785 (5 mm)軸向方向位移圖Fig.9 HG785 (5 mm) axial displacement diagram

圖10 HG785 (8 mm)軸向方向位移圖Fig.10 HG785 (8 mm) axial displacement diagram

總的來看,T-300起重臂較5 mm和8 mm的HG785起重臂抗彎性能分別提高了46.2%和10.4%;T-700起重臂較5 mm和8 mm的HG785起重臂抗彎性能分別提高了49.0%和15.0%; T-700起重臂抗彎性能較T-300提高了5.1%。

另外,T-300碳纖維起重臂相對于壁厚5 mm和8 mm的HG785起重臂質量分別減輕了49.5%和18.4%;T-300碳纖維起重臂相對于壁厚5 mm和8 mm的HG785起重臂質量分別減輕了46.5%和13.6%。由此可以看出,碳纖維起重臂相比鋼制起重臂質量減輕的同時有更高的穩(wěn)定性和安全性。

4.3 應力分析

碳纖維起重臂的應力分布是造成T-W系數(shù)分布的直接原因,其單層的應力分布規(guī)律和T-W系數(shù)分布一致,在此不對其單層應力分布做過多陳述,提取2種材料起重臂在XY平面的沿軸長方向的應力S11,如圖11所示,對比分析起重臂在截面上的應力規(guī)律[14-15]。

圖11 起重臂XY截面圖Fig.11 XY cross section of the boom

2種材料起重臂采用同一尺寸網(wǎng)格,從右側中間的單元沿順時針記錄截面一周每一個單元的應力,得到的2種材料起重臂在XY截面的應力如圖12所示?？梢钥闯?起重臂在只受X方向應力時側面的應力都較小,在側面中間位置的應力甚至接近于0;U型截面下方主要受壓應力,其獨特的結構導致底部U型結構呈對稱分布,越靠近中間部位應力越大;而主要受拉應力的上板受力在靠近右端的過程小范圍變大;上板的2個圓角處受力較上板大一些,但因其圓角結構使其應力小于最大應力。另外,碳纖維起重臂的在上板和圓角處的應力變化較小,整體力的過渡較HG785起重臂更為平緩。

圖12 2種材料起重臂在XY截面應力曲線Fig.12 Stress curves of the two materials boom in XY section

5 結論

在本文中設計了2種碳纖維復合材料起重臂,并運用Abaqus軟件對2種起重臂進行失效、撓度和截面應力分析,記錄仿真時每一層的T-W系數(shù)、整體位移和截面各單元的應力,結果表明:

1) T-300和T-700碳纖維起重臂在海上工況下均未失效,二者的安全容量很高;且二者在此工況下的撓度也很接近,對比HG785起重臂有明顯的提升,其輕量化更好;2種碳纖維材料出現(xiàn)上述結果是因為影響失效的為模量參數(shù),T-700模量要遠大于T-300,影響撓度的為強度參數(shù),2種材料的強度參數(shù)相近。而T-700的成本又高于T-300,選擇材料時要綜合考慮。

2) U型截面的上下板面受力最大,且其受力基本沿對稱軸對稱分布,碳纖維材料的受力相較于HG785起重臂受力更小,力過渡更為平緩。該研究結果對后續(xù)碳纖維起重臂的設計和碳纖維起重臂的運動分析提供了參考。