900t浮吊整体金属结构有限元计算分析

裴文华，王晓波，赵 霞

（太仓武港码头有限公司，江苏 太仓215400）

浮吊即浮式起重机.由于海上条件恶劣，浮吊作业范围广，工况复杂，而且浮吊的金属结构庞大，对其性能的要求高，其设计至关重要.借助有限元分析方法，可以对其性能进行全面了解，并在保证安全使用的前提下得到较好的经济性.本文采用有限元分析软件ANSYS11.0对900t浮吊金属结构进行整机分析，计算其在不同工况下结构的受力变形.

1 900 t全回转浮吊结构概述

900t全回转浮吊结构主要由臂架、人字架、转台总成、回转支承装置等组成（图1）.

图1 900t浮吊金属结构总图

其最大起重量为900t，主吊钩水面起升高度为65m，副吊钩水面起升高度为75m.主吊钩最大工作幅度为60m，副吊钩最大工作幅度为67m，最小工作幅度为24.5m.这些结构通过滚轮支承在固定于甲板上的圆筒结构上，回转驱动装置驱动其旋转.整个回转支承装置可以当作是一个大的回转轴承，每个滚轮既可以相对于上部轨道滚动，也可以相对于固定在圆筒上的下轨道转动，每个滚轮承受上部回转部分的垂直载荷，水平载荷由安装在旋转中心的小筒体承受，配重和反滚轮承受由吊重和臂架自重产生的倾覆力矩.起重机和吊重产生的所有载荷通过变幅钢丝绳和臂架传递给下部支承圆筒，再作用到船体甲板上.

2 浮吊结构有限元模型

利用ANSYS11.0对900t浮吊进行整机有限元建模分析，采用多种单元类型分别模拟各部分结构.用梁单元beam188模拟人字架和转台；用板单元shell63模拟支承圆筒结构和臂架头部与尾部；用管单元pipe16模拟臂架中部的圆管；用只有拉伸刚度的link10单元模拟钢丝绳；用只有压缩刚度的link10单元模拟支承滚轮和反滚轮；将机构和配重块简化成质量块，用质量单元mass21模拟.材料的弹性模量E＝2.1×105MPa，泊松比μ＝0.3.

模型的笛卡尔直角坐标系中，X方向为臂架方向，Y方向为起重机的高度方向，Z方向为右手定则确定，坐标系的原点位于支承圆筒中心与甲板交点处.

一般在建模过程中，会用单元连接节点以建立不同自由度的关系.臂架与人字架的连接靠销轴，使臂架可以绕销轴的轴线转动.因此这两者的节点的六个自由度并不相同，可以通过ANSYS的耦合功能，耦合臂架与人字架连接处节点的五个自由度，释放绕Z轴旋转的自由度［1］，从而模拟销轴的连接情况.由于在建模过程中会有一些简化，导致模型与实际质量有偏差，影响计算结果，一般的质量补偿方法有重力加速度补偿法、密度补偿法和质量补偿法.本文应用密度补偿法对各部分结构的密度做一些调整，以达到和实际情况相近.有限元模型如图2所示，共有36 743个节点，38 250个单元.

图2 浮吊结构有限元模型

3 载荷工况

浮吊所受载荷主要包括起重机自重载荷、起升载荷、主副钩重量、风载荷、船舶倾斜载荷、由起重机回转运动产生的离心力等.计算风载荷时，正常工作风速为25m／s，非工作风速为55m／s.船舶倾斜角度依据《船舶与海上设施起重设备规范》［2］来定，考虑到海浪的作用，浮吊应该在船舶横倾5°，纵倾2°时仍能安全有效的工作.回转运动产生的离心力主要指起升载荷上的水平惯性力，作用在起重机结构上的离心力可以忽略不计.

3.1 无风工作

当浮吊工作时，除了起吊货物的载荷，主钩（或副钩）以及随货物运动的动滑轮重量作为附加的起升载荷，一起算作总的起升载荷

式中：G为自重载荷；Q为起升载荷；φh为起升动载系数；φh＝1.1，且φd为操作系数，且φd＝1.05.

3.2 有风工作

在综合考虑风载荷的影响下，有

式中W为风载荷.

3.3 非工作状态

此状态臂架要放置规定角度，即放置在臂架搁置架上、船舶航行、停泊.

3.4 计算工况列表

依据《起重机设计规范》［3］选取载荷组合，固定带载工况见表1，回转带载工况见表2.

表1 固定带载工况

表2 回转带载工况

4 有限元计算结果及分析

在不同的载荷工况下，分别加载计算得出整机的分析结果.浮吊的主要结构部件臂架采用材料Q460B，许用应力为277MPa；人字架材料为A36，许用应力为207MPa；转台采用的材料为Q345C，许用应力为207MPa；圆筒采用的材料为Q235C，许用应力为141MPa.不同幅度下计算的各部分构件最大应力见表3.

由表3可知，每部分构件的最大应力都在许用范围内，强度满足条件，其中臂架的应力最大，其最大值有260MPa.臂架作为主要的承载构件，不仅有较大的自重，还要承受由货物及钢丝绳所产生的轴向压力及由偏摆产生的弯矩，还有一定的风载，在垂直臂架方向，风载荷最大.臂架受力复杂，因此其结构至关重要.本文中分析的900t浮吊臂架采用筒体截面组合而成.第一，可以减少迎风面积，减少作用在臂架上的风载荷；第二，此种形式的臂架结构在臂架变幅平面内的承载性能高，这与臂架结构的整体受力特性相符；第三，臂架采用薄壁圆筒组合结构，其抗屈曲能力强，不需要增加纵向筋，也能保证稳定性，从而减轻了臂架的自重.

表3 主要结构最大应力

对浮吊整机有限元模型进行处理，去掉下部支承圆筒单元，将支承滚轮与反滚轮全约束［4］，按照上面载荷组合工况分别计算可得每种工况下的滚子最大轮压（表4、表5）.

最大轮压为2 509.7kN，出现在非工作状态，风向垂直臂架.工作状态最大轮压为1 265.6kN，出现在回转吊载工况，幅度为60m，起重量为150t.回转带载时最大轮压会比固定带载时稍大一些.回转支承装置的滚轮将浮吊上部回转部分的自重、水平力及各种载荷产生的倾覆力矩传递到下部支承圆筒，最后传递到船上的甲板.当倾覆力矩较大时，有些滚子会出现不受力的状态.

表4 固定带载工况最大轮压

表5 回转带载工况最大轮压

［1］沈 莹，王悦民.1 300t浮式起重机金属结构有限元分析［J］.起重运输机械，2005（4）：4－7.

［2］中国船级社.船舶及海上设施起重设备规范2007［S］.北京：人民交通出版社，2007.

［3］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 中国国家标准化管理委员会.GB3811—1983起重机设计规范［S］.北京：中国标准出版社，2008.

［4］卢凯良，邱惠清，宋甲强，等.7500t浮吊回转支承轮压仿真计算与实测验证［J］.机械设计，2009，26（12）：19－23.