基于ANSYS的大型浮吊结构有限元分析

撰文/大连华锐重工集团股份有限公司设计研究院 王蕾 齐桂营 王伟

基于ANSYS的大型浮吊结构有限元分析

撰文/大连华锐重工集团股份有限公司设计研究院 王蕾 齐桂营 王伟

本文基于通用有限元软件ANSYS对深水半潜式起重铺管船用2×8000t全回转起重机结构进行有限元分析，根据规范要求对其强度、刚度和稳定性进行校核，为结构的进一步优化提供理论指导和有效依据，同时也为同类设备以及配套项目的相关研究提供参考。

一、引言

近年，海洋工程、海上运输等产业的兴起，促使与之配套的大型浮式起重机（简称浮吊）迅速发展。跨海大桥及海洋石油开发平台的建造、大型海洋装备的运输及安装等工程，不仅对浮吊起重量和起升高度的要求大大提高，而且要求其具有远洋自航能力。

本文所研究的深水半潜式起重铺管船用2×8000t起重机按照相关海工标准和规范中的重型起重机标准进行设计，但起重量和回转起重力矩等各方面技术参数已远超现有起重机，并且作业海况（中国南海）与相关标准中的规定无法完全吻合，为保证该起重机的作业安全性，需要通过仿真技术对该起重机结构进行分析和验证。

1.结构设计特点

本次研究的起重机具有起重量大、工作幅度大、工作速度快、深水作业以及全回转等特点，铺管船上安装有两台8000t起重机，可以单独或者联合作业，每台起重机配有两个4000t主钩、一个1000t副钩和一个200t小钩，最大作业水深3000米，主要作业海域为中国南海。

2.本文主要工作

本文工作内容主要有以下五项。

（1） 基于ANSYS商用软件，建立深水半潜式起重铺管船用2×8000t起重机有限元模型。

（2） 按照CCS标准进行载荷定义、载荷计算以及载荷组合。

（3） 对起重机结构进行有限元分析，提取各工况下的结构应力和位移分布。

（4） 根据起重机设计规范，校核各关键部位强度、刚度及稳定性。

（5） 对计算分析和校核结果进行汇总，为同类设备以及相关配套项目的后续研究提供参考。

二、有限元模型

图1所示为深水半潜式起重铺管船用2×8000t起重机的整机有限元模型，主要由臂架、人字架、回转平台和变幅钢丝绳四部分组成，单元类型主要有三维线性有限应变梁单元BEAM 188、集中质量单元MASS 21和杆单元LINK 10等。

采用笛卡尔坐标系进行建模，XY平面为变幅平面，Y为竖直方向，Z为变幅平面法向；铰点采用节点耦合，约束5自由度，具有单轴旋转自由度；变幅钢丝绳采用杆单元来模拟，两端点处具有三轴旋转自由度；回转平台底部约束为仅受压；反滚轮支架约束为仅受拉；起升钢丝绳以节点力的形式施加到相应的位置上进行模拟。

图1　臂架仰角71°模型

三、结构材料选用

浮吊主要在海上作业，风、浪、船体运动及吊物自重都会对结构产生作用力，使起重机结构产生很大的应力和变形，所以在浮吊的结构设计过程中，整体结构一般采用高强度的钢板和型钢。

本次研究的深水半潜式起重铺管船用2×8000t起重机的臂架桁架部分材料为Q690，臂架头部、人字架和回转平台材料为D36，金属结构材料的许用应力如表1所示。

表1　许用应力

四、载荷定义和计算

起重机在设计与分析过程中应考虑如下载荷：自重载荷、起升载荷、因船体运动产生的惯性载荷、因船体倾斜产生的侧倾载荷以及风载荷的影响，基本载荷如表2所示。

表2　基本载荷

1.自重载荷

自重载荷是指在起重机的结构、机械设备、电气设备以及附近再起重机上的存仓、连续输送机及其上的物料等的重力。

2.起升系数与作业系数

本起重机根据CCS《船舶与海上设施起重设备规范2007》中的重型起重机的使用要求进行设计，因此起升系数取1.1，作业系数取1.05。

3.侧倾载荷

侧倾载荷Pc代表由于船舶倾斜所产生的所有载荷，其中起升载荷产生的水平力为：1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）×tan2°，同时重力加速度按照船体倾斜2°（空载时20°）进行同步分解。

4.回转与变幅惯性载荷

回转与变幅惯性载荷根据回转、变幅速度及启制动时间进行计算，将通过计算得出的角加速度施加于整体钢结构，同时起升载荷惯性力作为集中载荷施加于臂架头部相应位置。

5.风载荷

工作风速为17.1m/s，非工作风速为51.4m/s，作用在起升载荷上的风力按照公式：进行计算，安全工作负荷如表2所示。

五、载荷工况和载荷组合

1.载荷工况

起重机设计应考虑下列四类工况。

（1）I类工况：起重机工作于无风状态。

（2）II类工况：起重机工作于有风状态。

（3）III类工况：起重机处于放置状态。

（4）IV类工况：起重机承受特殊载荷。

2.载荷组合

（1） 组合1：主钩8000t，臂架仰角71°，I类工况：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）。

（2） 组合2：副钩1000t，臂架仰角38°，I类工况：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）。

（3） 组合3：小钩200t，臂架仰角22°，I类工况：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）。

（4） 组合4：主钩8000t，臂架仰角71°，II类工况：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）+Fwx+PHb。

（5） 组合5：主钩8000t，臂架仰角71°，II类工况：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）+Fwz+PHh。

（6） 组合6：主钩3100t，臂架仰角57°，II类工况：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）+Fwx+PHb。

（7） 组合7：主钩3100t，臂架仰角57°，II类工况：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）+Fwz+PHh。

（8） 组合8：主钩1300t，臂架仰角39°，II类工况：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）+Fwx+PHb。

（9） 组合9：主钩1300t，臂架仰角39°，II类工况：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）+Fwz+PHh。

（10）组合10：副钩1000t，臂架仰角38°，II类工况：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）+Fwx+PHb。

（11）组合11：副钩1000t，臂架仰角38°，II类工况：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）+Fwz+PHh。

（12）组合12：小钩200t，臂架仰角22°，II类工况：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）+Fwx+PHb。

（13）组合13：小钩200t，臂架仰角22°，II类工况：1.05×DL+1.1×Pc+1.1×1.05×（SWL+Gg+Gs）+Fwz+PHh。

（14）组合14：空载，臂架仰角0°，III类工况：DL+Pc+Fswx+PHx+PHy。

（15）组合15：空载，臂架仰角0°，III类工况：DL+Pc+Fswz+PHy+PHz。

（16）组合16：试验，臂架仰角71°，IV类工况：DL+1.1×SWL+Gg+Gs。

六、有限元分析结果

图2～图5所示为典型工况的结构应力与变形云图。

图2　载荷组合1应力云图

图3　载荷组合2应力云图

图4　载荷组合3应力云图

图5　荷组合1垂直变形云图

表3　强度计算结果汇总（单位：N/mm2）

七、校核计算

1.压杆稳定性分析

表4所示为结构的压杆稳定性分析。

表4　压杆稳定性计算

2.臂架整体稳定性分析

表5所示为臂架结构整体稳定性分析。

表5　整体稳定性计算

稳定系数φx0.838 φy0.856轴向力N（N）1.05E+08强轴弯矩Mx（N·mm）1.07E+10弱轴弯矩My（N·mm）7.03E+09强轴抗弯模量Wx（mm3）1.24E+09弱轴抗弯模量Wy（mm3）6.35E+08计算结果σ（N/mm2）3.78E+02判定结果Judgement Ok

八、结语

本文基于通用有限元软件ANSYS对深水半潜式起重铺管船用2×8000t起重机结构进行了有限元分析，提取了16组载荷组合下的结构应力和位移分布，并根据相关规范和标准对计算结果进行了校核和汇总，为该起重机结构的设计和进一步优化提供了有效依据，同时也为后续相关研究工作奠定了基础。