不同加载方式下的200 t 浮式起重机有限元分析

马晨旭1 霍 焰2 朱 磊1 叶 龙2
1 大连理工大学机械工程学院 大连 116000 2 大连船舶重工集团有限公司 大连 116000

摘 要：针对200 t 浮式起重机整机结构计算的复杂性，在Ansys 有限元分析软件中对200 t 浮式起重机整机结构根据不同的倾斜角度，进行不同的加载力分析计算，得到不同计算工况下的计算结果，并针对结果进行对比分析研究。
关键词：浮式起重机；结构；倾斜角；有限元
中图分类号：U674.35 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）05-0033-04

0 引言
随着海洋石油开发、大型海上工程建设、沿海风电设备安装以及海难救助事业的发展，浮式起重机的需求迅猛增加[1]。浮式起重机一般由下部浮船和装在浮船甲板上的上部建筑两大部分组成，其中浮船用来支持起重机的自重和起重量，再通过自身的船壳把其传递到水面，使浮式起重机能独立地浮在水面上工作。此外，浮船还能使起重机沿着水道从一个工作地点航行到另外一个工作地点，或在同一个工作地点内做水平移动，以满足起重机对准装卸点或完成货物水平移动的要求等。

本文研究对象为 200 t 电动全回转四连杆浮式起重机，主要用于港口、码头装卸和近海海区内的吊装作业，并具有各水面打捞及水下配合作业支持能力。由于海上工作环境恶劣，起重机在工作过程中受到风载荷波浪载荷的影响会随船体倾斜，对于浮式起重机结构的安全可靠性不可忽视[2]，故对起重机臂架进行Ansys 分析。

1 200 t 浮式起重机基本情况
如图1 所示，200 t 浮式起重机整体结构包含筒体立柱、转盘、人字架、放倒撑杆、大拉杆、象鼻梁、臂架等部件，各部件单独建立有限元模型，将部件模型在Ansys 有限元分析软件中进行组装，各部件之间通过建立连接形成整体模型，建立相应的边界条件，施加相应工况的载荷。借助于先进的有限元分析，可对其受力特性作全面、详细了解，以期在保证安全使用的前提下获得较好的经济性[3]。

1. 固定配重 2. 人字架 3. 变幅丝杠 4. 大拉杆5. 象鼻梁 6. 臂架 7. 船体
图1 200 t 浮式起重机整体结构图

2 有限元模型的建立
2.1 计算工况的选取
浮式起重机所受载荷主要包括起重机自重载荷、起升载荷、主副钩质量、由起重机回转运动产生的离心力、工作环境中的风载荷和波浪载荷。由于波浪载荷的作用，起重机会随着船体进行倾斜，倾斜角度为5°，故起重机在进行工作变幅的同时需要将船体的倾斜角度考虑在内，以此考虑波浪载荷对起重机的影响[3]。因此，需要分析的两种工况均为有风工况，详细情况如表1所示。

2.2 整机简化模型
在结构建模过程中，一般用单元连接节点以建立不同自由度间的关系[4]。对浮式起重机筒体立柱、转盘、人字架、放倒撑杆、大拉杆、象鼻梁、臂架等部件建立有限元模型后并组装，组装后的整机有限元模型如图2所示。

图2 整机有限元模型

2.3 边界条件
筒体立柱底部建立全位移与转动约束，在变幅螺杆的端部节点处，建立3 个方向位移约束。沿臂架幅度方向为X 轴，竖直方向为Z 轴，Y 轴垂直于臂架变幅平面，如图3 所示。

图3 整机有限元边界条件图

根据不同的计算工况，对工况1、工况2 加载不同的力，受力点均为主钩连接点，载荷加载情况见表2。工况1 沿Z 轴负方向加载236.8 t，由于工况2 整机模型X 轴旋转5°，为与工况2 对比分析，工况1 沿Y 轴方向加载236.8×tan5° t 的载荷；工况2 沿Z 轴负方向加载236.8 t 载荷。重力加速度的大小根据三维模型的实际质量与有限元模型的质量相比较，将重力加速度数值扩大相应的比例因子。

3 工况计算与对比
3.1 臂架结构计算
根据不同工况，加载不同的载荷，对整机进行Ansys 分析计算，根据具体计算，选取臂架部分对比分析，分析结果如图4~ 图7 所示。

图4 工况1 臂架应力云图

图5 工况2 臂架应力云图

图6 工况1 臂架位移云图

图7 工况2 臂架位移云图

最大应力处在臂架与象鼻梁连接处，由于此处采用刚性连接，使结构局部刚化，在计算时必然会产生应力集中区域，在计算过程中需要忽略。应力云图中显示的是0 ～ 25 MPa 的应力范围。
最大变形出现在臂架与象鼻梁连接处，变形主要由臂架结构本身的结构的变形和臂架受力后有了相对的变形引起。

3.2 计算结果对比
根据有限元计算结果，工况2 的臂架应力和位移要比工况1 的大。为进一步详细对比，选取臂架尾端4 个部分，每一个部分8 个节点应力进行详细对比分析，如图8 所示为臂架尾端区域2 的工况2 应力拾取图。

图8 臂架尾端区域2 的工况二应力拾取图

臂架尾端4 个区域2 个工况的详细应力数据如表3~ 表6 所示，8 个节点均位于臂架尾端靠近刚性区域连接部分，其中表3 中的节点离臂架尾端最近，表6 节点离臂架中间过度区域较近，且2 个工况选取的是同一个部位的节点。

由图9 臂架尾端区域应力折线图可以看出，工况2的节点应力比工况1 节点应力大，且应力差值呈现出递增的趋势，越远离刚性区域连接部分，应力差值越大。在臂架尾端的应力差值波动较大，而位于臂架过渡区的应力差相对比较平稳。

图9 臂架尾端区域应力折线图

4 结语
浮式起重机由于其特有的工作属性，作业、航行时船舶倾斜、运动载荷的影响非常大。通过对臂架的结构进行有限元计算分析，并提取出尾端4 个部分的节点应力对工况1、工况2 进行对比，以此分析浮式起重机工作时X 轴横倾5°和加侧载的影响。臂架主要承受在其自重、吊重及变幅钢丝绳拉力作用下产生的轴向压力及弯矩，风载荷在沿臂架方向最明显，而其侧向载荷则由
船舶倾斜及运动引起，相对较小。

参考文献
[1] 张炳发，季圣国，李朝阳. 新型全回转浮式起重机的人字架放倒设计[J]. 起重运输机械，2016(11)：32-34.
[2] 郑惠强，申静静，张氢.7000t 浮式起重机臂架钢结构分析[J]. 中国工程机械学报，2008(2)：184-187.
[3] 沈莹，王悦民.1300t 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.
[4] 邹少俊. 浮式起重机金属结构有限元计算[J]. 起重运输机械，2012(10)：52-55.