7000t浮式起重机臂架钢结构分析.pdf

基金项目 上海市经委重点企业产学研联合攻关资助项目[沪经规6号] 作者简介 郑惠强53 ,男,教授,博士生导师2qz 63 7 000 t浮 式 起 重 机 臂 架 钢 结 构 分 析 郑惠强,申静静,张 氢 同济大学 机械工程学院,上海 201804 摘要研究了采用高强度钢材料的浮式起重机臂架结构的设计计算方法.介绍了在设计计算中如何考虑风浪 、 约束条件、 起吊载荷 、 船运等多种因素对结构分析工况的影响,并使用有限元方法,针对主、 副钩联动作业的巨型 浮式起重机进行了完整的设计分析. 关键词 ANSYS;浮式起重机;有限元;结构分析;风浪 中图分类号 TH 218 文献标识码 A 文章编号 1672 - 55812008 02 - 0184 - 04 Steel structure analysis on boom of 7 000 t floating crane ZHEN G Hui2qiang , SHEN Jing2jing , ZHAN G Qing School of Mechanical Engineering ,T ongji University,Shanghai 201804 ,China Abstract The design and calculation s are proposed for high2strength steel boom of the 7 000 t floating crane. Accordingly ,such working criteria as storm ,loading ,constraint and shipping are considered for their in2 fluences on working conditions.By employing finite element analysis ,a comprehensive design analysis is con2 ducted based on the interaction between the primary and auxiliary hooks of the large2scale floating crane. Key words ANSYSTM; floating crane; finite element analysis ; structure analysis ; storm 为满足经济迅猛发展带来的对市场和能源的巨大需求,越来越多国家开始将眼光投向占地球面积近 3/ 4的海洋世界.因此深海资源开发、 海上工程兴建正逐渐成为热潮,加速了对包括大型浮吊在内的海上 重型机械设备的需求量. 大型浮式起重机简称浮吊作为工程船的一种,在海洋石油开发、 大型海上工程、 沿海风电设备安装和 海难救助等作业中得到广泛运用,但因其设计制造难度高,投资及技术要求高,进入门槛较高,全球有能力研 发和生产的厂商不多.此外由于海上工作环境的恶劣,工作条件的不确定性等因素,对于浮式起重机结构的 安全可靠性的要求更是不可忽视.研究探讨对7 000 t大型浮吊整体结构进行分析的方法十分必要. 本文的目的是考察分析该大型浮吊整体结构的应力分布情况,确保结构的安全可靠性,为制造生产提 供有价值的参考,同时为后期实机的现场测试提供理论依据.由于该机起重量目前为世界第一,采用了许 多先进技术,如主要起重机结构使用高强度钢,在前期的研发设计过程中可供借鉴参考的资料有限,故后 期的结构验算更有其必要性以保证整机安全.与岸边起重机械相比,在海洋上作业的浮吊结构在结构、 材 料、 起吊载荷等方面均有一些特殊性,本文的设计计算方法可供有关人员参考. 1 浮式起重机的主要性能参数 该起重船为自航式,驶于无限航区,起重机全回转,可带载变幅,可以适应海上有风浪,在纵、 横摇状态 下工作.配备有主钩、 副钩,主副钩在非满负荷时可同时工作,起升和变幅两机构亦可同时工作,其金属结 第6卷第2期 2008年6月 中 国 工 程 机 械 学 报 CHINESEJOURNAL OF CONSTRUCTION MACHINER Y Vol.6 No.2 Jun. 2008 20071 19-. E mail h20011. com 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 构采用的是美国标准ASTM - 709的高强钢.该浮吊可用于海上油气田开发的吊装作业,也可用于港口建 设重大件吊装和沉船打捞等.该起重机在变幅情况下,要求机构变幅时间为45 min ,使用的电机数量为2 台,每台电机功率为1 000 kW.其主要性能参数见表1. 表1 浮吊性能参数 Tab. 1 Floating crane’s capability parameters 工况 起重量/ t 系固旋转 离旋转中心距离/ m 最大最小 起升高度/ m 水上水下 速度/ mmin- 1 带载空载 功率/ kW 主钩7 0003 0001003511050～1.250～101 00041 副钩1 6001 600115401251500～3.500～141 00021 旋转3 0003 0000.2020.122400121 1为电机数量; 2单位为rmin - 1. 2 模型建立 本机采用板梁单元结合利用ANSYS软件进行建模.对于桁框架、 人字架、 底盘及臂架中部,采用的是 箱形截面梁单元Beam189建模;而对于臂架头部与臂架尾部采用的是板壳单元Shell93建模.参考设计图 图1 浮式起重机几何模型 Fig. 1 FEM model of the floating crane 纸中各部件的质量统计表对各部件的材料密度 做了适当的调整以反映整体的质量大小和重心 位置;钢丝绳仅承受拉力作用,故选择杆Link8 单元;对于一些在模型中不需要建立但对整体质 量分布有一定影响的部件,如配重箱等选用的是 集中质量Mass21单元.模型主要尺寸均按照设 计图纸以反映该浮吊结构的设计要求. 最终完成的浮式起重机几何模型[1 ]如图1 所示. 3 分析方案 与一般起重机相比较,浮式起重机的工作环境有很大的区别,在分析过程中如何处理诸如海浪、 船舶 等因素对结构的影响是该浮吊分析方法的关键,也是本文的重点,在此提出以下处理方案 1浮吊是固定于船体之上,但船体时刻都受海浪作用的影响,且在锚固和航运状态下这种影响程度 的大小又有所区别.因此浮吊首先有工作状态和非工作状态之分工作状态下,船体锚固,仅考虑海浪对浮 吊在重力方向上的影响即可,故工作状态下结构的重力加速度为ay 1.1g≈10. 8 ms - 2 ;非工作状态下, 臂架水平放置于搁架上,船舶处于航运状态,此时波浪对结构的影响是非常大的,且需考虑波浪的方向性, 在此参考借鉴了船舶设计中航运工况的分析,在模型的环境参数中设置,ax 0. 5g 4. 9 ms- 2,ay 2g 19.6 ms- 2,az 0. 5g 4.9 ms- 2. 2浮吊在工作状态下,除了考虑海浪影响,还需考虑船体对结构的影响.浮吊在起吊重物时,受重物 影响会导致船体发生倾斜,该倾斜角度会使浮吊承受部分水平方向力即x , z方向 .不过仅在主钩单独 工作时考虑这一因素,因其起吊载荷较大,产生的水平力也较大.根据设计说明,主钩系固与固定情况下, 船舶横倾5,纵倾;主钩回转情况下,船舶横倾3 5,纵倾如在起吊重物时,臂架还承 受x向力Fx,z向水平力Fz5 3底盘约束的处理 该浮吊是36 全回转的,需要考虑回转状态下的约束情况 如果单纯考虑回转 581 第2期郑惠强,等7 000 t浮式起重机臂架钢结构分析 1.2.0.2. 0 .7 000 t 7 000 ttan 2. 07 000 ttan 1.. .0. 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中心点处的位移约束,势必会因约束不足导致桁框架部分杆件应力过高.而实际上,浮吊是放置于4排回 转轮子轨道上,约束方式更倾向于面接触;且在回转过程中受起吊载荷的作用,底盘与轮子并不是平行的, 而是有1个很小的角度.故而模型中在回转轨道上根据倾斜角度采用了部分x方向移动约束,部分z方 向移动约束以及全部的y方向移动约束. 4 计算 4. 1 施加约束 根据图纸设计,在桁框架与人字架、 臂架之间采用的是销轴连接,故这些部位均释放了1个销轴转动 方向上的自由度,而在其余5个自由度上施加耦合;浮式起重机回转中心点处约束了3个方向上的移动位 移;底盘依照上述方案分析在回转轨道上采用部分x方向移动约束,部分z方向移动约束以及全部的y 方向约束;臂架在非工作状态下是搁置在臂架搁架上,在搁置位置处约束了z方向的移动. 4. 2 施加载荷 模型中载荷主要包括自重载荷、 风载与起吊载荷. 通过定义模型的重力场实现自重载荷加载.考虑到结构的动载荷和风浪影响在分析方案中已做说 明,令工作状态下g′ 1.1g 10.8 ms- 2;非工作状态下g′ 2g19.6 ms- 2. 风载计算与岸边起重机相同,参考 起重机设计规范 [2 ]与 起重机设计手册[3 ]要求计算风载荷 ,最 后平均到节点上作为节点力施加在模型中. 最后定义起吊载荷,根据该浮式起重机的设计要求将不同工作幅度下的起重载荷施加在起吊点上.考 虑到起吊冲击及波浪的影响,在施加载荷时,加载载荷 1. 15动载系数 起吊载荷.载荷在模型中是加 载至安装吊钩的吊耳,根据起吊方向,按耳板中吊孔的半圆的结点数平均加载起吊载荷. 4. 3 工况分析 与岸边起重机相比较,浮吊在工况分析时多了许多考虑因素,如海浪方向、 约束条件、 船倾角度等.而 且该浮吊是主、 副钩联机工作的,360 全回转,起吊幅度与载荷的关系影响也是该机的特色.下面列出了在 工况分析中需要考虑的主要因素 表2 约束-载荷 Tab. 2 B oun dary condition2load relation 约束条件 最大起升载重/ t 主钩副钩主副联动 系固7 000 固定6 0001 600 3 500 1 600 旋转3 0001 6001 500 800 1约束条件与主、 副钩工况.根据该浮吊的设计要 求,其主要工作在以下几种情况下主钩系固、 主钩固定、 主 钩回转、 副钩固定、 副钩回转、 主副联动并固定带载、 主副联 动并回转带载共7种情况.其中每种情况下的最大起吊载 荷是有所不同的,具体参见表2. 2起吊幅度与载荷.根据设计图纸中不同约束条件 下的载荷-幅度关系图,选取3～4点进行分析,以主钩起 吊点至回转中心的距离作为标尺,分别建立了起吊幅度为31 ,35 ,40 ,43 ,45 ,70 ,95 ,100 m的模型. 3船倾角度主要考虑主钩单独工作下的情况.根据设计要求,主钩系固与固定情况下,船舶横倾 1. 5,纵倾2. 0;主钩回转情况下,船舶横倾3.5,纵倾2.0. 4风载荷.该船驶于无限航区,因此风向是不确定的,模型主要针对x ,-z两种极端情况下进行 分析. 5海浪.主要针对船舶航运工况下,根据船体承受波浪方向的不同,加速度分为ayaz, ay ax, ay-ax3种航运工况该浮式起重机是对称结构,z与-z方向是等效的. 4. 4 工况计算 加载完毕之后即可计算,绘制结构的应力云图,如图 681 中 国 工 程 机 械 学 报第6卷 2. 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图2 结构应力云图 Fig. 2 Structure’s stress contour 图3 应力敏感区画圈处 Fig. 3 Critical stress areas 应力最大值均集中在图3所示画圈处的几个 部位,应属于应力敏感区,该区域在制造生产时应注 意焊接质量、 焊缝探伤等要求. 5 结论 通过详细分析计算,可以得到以下结果 1该浮吊臂架结构整体应力分布较为合理, 各部件的最大应力值均小于材料的许用应力值. 2臂架中部结构中,有局部区域的应力值比周边区域明显增高,属于应力敏感区,在制造生产时应 注意该区域的焊接质量、 焊缝探伤等要求. 3航运状态下要确保臂架固定到位,尤其是与臂架搁架接触处的板厚可适当加厚. 4本文的设计计算方法具有一定的通用性,可以供今后同类浮吊设计参考. 参考文献 [ 1] 段进,倪栋,王国业.ANSYS10. 0结构分析从入门到精通[ M].北京兵器工业出版社,2006. 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