卷扬式升船机承船平台有限元分析研究

汪伟

中船第九设计研究院工程有限公司

卷扬式升船机承船平台有限元分析研究

汪伟

中船第九设计研究院工程有限公司

1 引言

卷扬式升船机利用排列在港池两侧的卷扬机吊点装置，提升或放下坐船的承船平台，完成小到中型船舶的上排下水作业。相对斜船架等传统的下水设备，卷扬式升船机具有效率高、操作方便等优点。

在作业过程中，船舶在承船平台上落墩。作为升船机主要的受力构件，平台结构的强度和刚度与设备使用安全性密切相关，是设计人员需要重点考虑的问题。首先应用耦合和接触算法对带动滑轮架的承船平台进行整体建模分析。在此基础上，利用耦合和接触分析结果作为输入条件，对动滑轮架进行进一步详细分析，从而发现原始设计缺陷并改进。

2 建模分析

ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程（CAE）软件，能与多数计算机辅助设计（CAD，computer Aided design）软件接口，实现数据的共享和交换。下面的有限元分析在Ansys平台进行。

2.1 整体建模分析

(1)主要结构特征

承船平台主要由吊点梁、轨道梁、联系梁等组成。其中箱型结构吊点梁为主承载构件，内部布置隔板及角钢以加强其刚度。吊点梁两端通过销及螺栓副与动滑轮组件联系，如图所示。作业时，吊点卷扬机通过收放缠绕在动滑轮组上的钢丝绳来提升或放下平台；移船时，通过气动销插入动滑轮架上部的销孔来固定承船平台。

图1 平台与动滑轮组件装配图

(2)建模

三个吊点梁组成一个小的主动平台，这里对主动平台进行刚度和强度分析。考虑到对称性，采用Ansys apdl对主动平台进行四分之一建模，模型对称面施加对称约束。模型中包括中间平台，动滑轮架，随船小车。其中中间平台、动滑轮架及随船小车采用壳单元进行模拟。中间平台与动滑轮架之间通过销轴连接，销轴采用实体单元模拟。随船小车与平台之间建立接触对。中间平台、销轴及动滑轮架之间两两建立接触对。动滑轮架与平台之间螺栓连接处节点耦合位移自由度，模拟螺栓副。

图2 1/4主动平台有限元模型

(3)工况及约束条件

这里只研究平台落销的工况。此时气动销的销体插入动滑轮架上部销孔，平台整体坐在气动销上，为移船做好准备。动滑轮架与气动销接触梨形孔处节点约束X、Y、Z方向位移。船舶作用在随船小车上，简化为均布载荷作用在小车上表面。

表1 落销时动滑轮架受外力（单位：N）

(4)计算结果

基于以上模型、载荷及约束，同时考虑了材料的非线性效应，经过计算得到了整体结果的应力及变形云图。竖直方向最大位移位于吊点梁中心位置，如图所示，最大挠度/跨度比小于1/750；最大主体应力200MPa，应力云图略。应力及变形均符合设计要求。

图3 主动平台竖直方向位移云图

根据以上计算结果取得动滑轮架在气动销孔的约束外力；各螺栓副处耦合点的外力；及平台销孔处接触外力，如表1所示。获取的数值作为后续动滑轮架的输入载荷进行详细计算。

2.2 动滑轮架详细建模分析

(1)建模

动滑轮架结构较为简单，而且是重要的受力构件，有必要对其进行详细分析。利用Ansys与Creo的接口，将Creo模型导入An⁃sys workbench，生成实体单元进行分析。

(2)工况及约束条件

图4 动滑轮架有限元模型

将表格1的结果，作为气动销孔、上下螺栓、平台联接销孔处作用力输入模型，同时在动滑轮孔施加cylindrical support约束，保证动滑轮架处于全约束状态。

(3)计算结果

计算中发现动滑轮架上部腹板直角处存在应力集中现象，将其更改为圆角，并重新进行计算，结果显示应力集中大为改善。改进后的应力结果如图所示，主体应力小于277MPa，符合设计规范要求。

图5 动滑轮架等效应力云图

3 结束语

基于有限元软件Ansys，根据其结构特征，首先采用壳单元对带动滑轮架的承船平台进行整体分析。在此基础上，将分析结果输出耦合节点力及接触力作为动滑轮架详细分析的输入条件。根据实际需要，分析过程采用由粗到细的步骤进行。发现了动滑轮架原始设计的缺陷，提出修改意见，并再次分析验证。

[1]金龙，李宜燃，王敏.升船机承船厢结构有限元分析研究[J].机电工程，2014(4):466-469

[2]王晋媛，石端伟，鲍务均.三峡升船机承船厢的有限元分析[J].水利电力机械，2000(6):41-42

Study on Finite Element Analysis of Shilift Platform

Wang Wei
China Shipbuilding NDRI Engineering CO.,LTD

卷扬式升船机是船厂中一种高效的上排下水设备。承船平台作为升船机主要的受力构件，其结构强度和刚度与设备使用安全性密切相关。首先应用耦合和接触算法对带动滑轮架的承船平台进行整体建模分析。进一步取得动滑轮架的详细分析结果，并指导改进设计。

卷扬式升船机；承船平台；有限元分析

Hoisting shiplift is a type of efficient ship launching and retrieve equipment.As main bearing structure,the strength and rigidity of ship carrying platform highly concern the security of the whole equipment.Firstly,the platform with free pulley block frame is modeled.The coupling and contract algorithm are adopted to simu⁃late the connections.Moreover,the free pulley block frame is ana⁃lyzed detailed to improve the design.

Hoisting shiplift；platform；FEA

汪伟（1983-），男，硕士研究生，机械工程师，主要从事非标设备设计。