基于极限状态法门式起重机结构有限元计算

侯 朋，刘会议，邹 湘，葛双喜，陈鑫祎

(南通中远重工有限公司,江苏 南通 226000)

基于极限状态法门式起重机结构有限元计算

侯 朋，刘会议，邹 湘，葛双喜，陈鑫祎

(南通中远重工有限公司,江苏 南通 226000)

基于极限状态法对某造船门式起重机结构强度、刚度进行校核，依据GB/T 3811—2008《起重机设计规范》对造船门式起重机的各种工作状况进行分析，计算不同工况的载荷并将载荷进行组合。利用ANSYS Workbench软件建立该造船门式起重机金属结构有限元计算模型，根据载荷组合进行有限元数值计算。结果表明：其强度、刚度满足要求，为造船门式起重机金属结构的设计提供了理论依据。

造船门式起重机;极限状态法;载荷组合;有限元计算法

0 引言

随着造船技术的快速发展，船舶建造广泛采用分段建造技术，使船舶建造能力以及造船的吨位得到大幅提高。大型造船门式起重机作为船厂最为重要的生产设备，主要用于船舶分段的吊运、翻身以及合拢等作业，在其中发挥着重要作用。

起重机在设计过程中，必须进行强度、刚度等校核计算，以保证起重机使用过程中结构安全。传统的计算方法是采用许用应力法，该方法考虑单一的安全系数，难以合理利用和发挥材料性能。极限状态法采用载荷分项系数，计算结果更加贴近实际状况，使设计结果更经济、更安全[1-2]。另外，传统的计算方法进行了各种简化与假定，难以完成复杂的分析和繁重的计算工作量，且计算结果精度差[3]。有限元法是一种求解偏微分方程边值问题近似解的数值技术，由于其通用性和有效性，在工程结构分析中得到广泛的应用[4]。使用有限元分析软件，可以大幅提高计算速度以及精度。国内起重机设计计算一般采用ANSYS软件。由于起重机结构复杂，建模难度较大，都进行相应的简化处理[5-11]，这种计算结果有一定的缺陷。本文利用ANSYS Workbench 17.1建立320 t×57 m造船门式起重机完整的有限元模型，依据极限状态设计法，对起重机金属结构强度、刚度进行校核计算，具有重要的工程价值。

1 门式起重机主要技术参数

320 t×57 m造船门式起重机主要由主梁、刚性腿和柔性腿组成，其中柔性支腿与主梁间采用柔性铰链方式。主梁上有上小车和下小车2个小车, 上小车和下小车公用1个轨道。主梁采用双梁结构形式，设计使用寿命为50 a。该造船门式起重机主要技术参数见表1, 总布置图如图1所示。

表1 3 200 kN×57 m造船门式起重机基本技术参数

2 载荷组合计算

2.1极限状态设计法

极限状态法[12]是使外载荷在结构及连接接头中产生的应力和变形不超过结构及连接接头的极限承载能力的设计方法。

起重机在设计过程中主要考虑载荷有结构自重、自重振动载荷、起升载荷、起升动载荷、运行冲击载荷、变速运动引起的惯性载荷、风载荷、雪载荷等，其强度可按照GB/T 3811—2008《起重机设计规范》(简称“规范”)进行计算。

2.1.1载荷组合计算

Fi=∑φiγpiγnfi

(1)

式中：Fi为每个载荷所受的力；φi为动力载荷系数；γpi为分项载荷系数；γn为高度危险系数；fi为作用在结构上的载荷。2.1.2强度校核计算

(2)

式中：limσ为应力极限值；γm为抗力系数；R为材料屈服强度。

2.1.3刚度校核计算

(3)

式中：f为自行式小车位于主梁跨中位置，由额定起升载荷及自行式小车自重载荷在该处产生的垂直静挠度；S为起重机跨度。

2.2载荷组合

起重机设计时需要考虑起重机的所受的载荷。按照“规范”规定：起重机的结构计算有18 种工况，本文仅以载荷组合B为例，介绍基于极限状态设计法计算起重机组合过程。表2列出了计算起重机金属结构的几种载荷组合。表中，起升动载系数φ1=1.11，起升动载系数φ2=1.35，突然卸载时的动力效应φ3=0，运行冲击系数φ4=1.15，考虑起重机运行驱动力突变时结构的动力效应系数φ5=1.5。

表2采用极限状态设计法时门式起重机金属结构计算的载荷与载荷组合表

3 整机金属结构有限元数值计算

起重机金属结构作为起重机的骨架，支撑起重机的机构和电气设备，承受起重机自重以及工作载荷。造船门式起重机主要的受力部分为主梁、刚性腿、柔性腿等。起重机主要承重结构材料为Q235B和Q345D/E, 材料弹性模量E=2.10×105MPa,泊松比u=0.3,密度ρ=7.85×103kg/m3。材料的屈服强度分别见表3、表4。

表3Q235B材料的屈服强度MPa

板厚/mm≤16gt;16～≤40gt;40～≤60gt;60～≤100gt;100～≤150屈服强度/MPa235225215215195

表4Q345D/E材料的屈服强度MPa

板厚/mm≤16gt;16～≤40gt;40～≤63gt;63～≤80gt;80～≤100屈服强度/MPa345335325315305

根据320 t×57 m造船门式起重机图建立详细的整机有限元计算模型，其模型图如图2所示。其中，起重机主梁、刚性腿、柔性腿采用板单元和梁单元组合形式，板单元采用SHELL181单元，梁单元采用BEAM188单元。

4 计算结果

将表2载荷根据式(1)进行组合施加，结合实际情况对模型进行约束。计算结果详见表5。

表5 门式起重机金属结构有限元计算结果

式(2)中，R=345 MPa，γm=1.1。

经计算，结构最大应力σ=308 MPa，limσ=313 MPa。

σ≤limσ，起重机金属结构强度满足规范要求。

式(3)中，S=57 000 mm，f=54 mm。

图3 、图4分别为B2载荷组合应力云图和位移云图。

5 结语

本文基于极限状态法和ANSYS Workbench软件对320 t×57 m造船门式起重机金属结构强度、刚度进行校核，计算结果满足规范要求，为造船门式起重机金属结构的设计计算提供一种可靠的计算方法。

[1] 徐格宁,詹鹏.基于极限状态法的双梁门式起重机金属结构设计[J].起重运输机械,2009(6):29-31.

[2] 徐格宁,张骞.基于极限状态法的桥式起重机金属结构设计[J].起重运输机械,2011(3):6-12.

[3] 贾振杰,宋晓娟,许映秋,等.基于ANSYS的造船用龙门起重机主梁静力分析[J].机械制造与自动化,2012 (5):98-100.

[4] 王勖成.有限单元法[M].北京:清华大学出版社，2003.

[5] 刘进,陈恩利,贺振通.龙门起重机金属结构强度有限元计算分析[J].石家庄铁道学院学报(自然科学版),2009(4):40-44.

[6] 范小宁,戚其松,徐格宁,等.门式起重机金属结构参数化有限元分析及设计[J].起重运输机械,2015(2):55-61.

[7] 李静,冷松.基于Ansys的900 t造船门式起重机有限元分析[J].起重运输机械,2013(11):66-68.

[8] 肖雄亮.300 t-112 m造船龙门起重机设计与主梁优化[D].长沙：湖南大学，2010.

[9] 南海博.大型造船门式起重机轻量化设计研究[D].上海：上海交通大学，2009.

[10] 钱光浩.基于ANSYS的龙门起重机门架结构动态设计与优化研究[D].武汉：武汉理工大学，2008.

[11] 杨治方.特大型造船门式起重机的结构行为与优化研究[D]. 石家庄：石家庄铁道大学，2014.

U653.921

A

2017-06-21

侯朋(1987—)，男，助理工程师，从事船舶及起重机结构强度分析工作；刘会议(1973—)，男，高级工程师，从事船用龙门吊、机构学研究。