在役造船門座起重機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及應(yīng)力測(cè)試

引言

由于造船門座起重機(jī)長(zhǎng)期處于露天以及腐蝕性等惡劣環(huán)境中工作,其金屬結(jié)構(gòu)作為主要的承載部件在工況載荷作用下,容易產(chǎn)生裂紋、腐蝕等缺陷。起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)缺陷,將對(duì)修造船作業(yè)造成重大的安全隱患,帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失甚至發(fā)生傷亡事故。對(duì)服役時(shí)間超過15年以上的起重機(jī),國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)管總局提出需對(duì)其進(jìn)行安全評(píng)估,以保障起重機(jī)的安全運(yùn)行,減少金屬結(jié)構(gòu)的維護(hù)費(fèi)用。因此,分析起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,并對(duì)其金屬結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試,可提高起重機(jī)的使用安全性,降低發(fā)生安全事故的概率。本文利用有限元分析軟件對(duì)某造船門座起重機(jī)進(jìn)行有限元分析,將所得到的分析數(shù)據(jù)與安全評(píng)估應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),確保起重機(jī)的運(yùn)行安全可靠。

1起重機(jī)概況

某造船門座起重機(jī)已服役超過50年。該起重機(jī)額定起重量為12t,最大工作幅度為32m,具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。整機(jī)金屬結(jié)構(gòu)包括組合臂架、人字架、平衡梁、轉(zhuǎn)臺(tái)和門架結(jié)構(gòu),其中組合臂架采用目前已不常見的拉索式組合臂架。該起重機(jī)工作時(shí)間長(zhǎng),金屬結(jié)構(gòu)有一定損傷,材料厚度均有所折減,計(jì)算時(shí)采用實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)。

2有限元模型的建立

2.1單元選取

在有限元模型建立過程中,采用了3種單元類型:

(1)Beam188單元。Beam188單元是兩節(jié)點(diǎn)的三維單元,適用于細(xì)長(zhǎng)梁的分析,并考慮了剪切變形的影響,臂架、象鼻梁、人字架、平衡梁、轉(zhuǎn)臺(tái)以及門架均可運(yùn)用此單元建立模型:

(2)Link180單元。Link180單元是受桿軸方向拉壓的三維桿單元,適用于模擬析架、纜索等。因此,柔性拉索以及門架連桿的模擬可以采用Link180單元:

(3)MAss21單元。MAss21單元是一個(gè)具有6個(gè)自由度的點(diǎn)元素,每個(gè)方向可以具有不同的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。而起重機(jī)中的配重、滑輪組在力加載時(shí)可簡(jiǎn)化為集中質(zhì)量,因此可采用MAss21單元建立模型。

2.2材料屬性

該起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)各部件的材料均一致,因此密度、泊松比、楊氏模量也均相同。材料各項(xiàng)屬性參數(shù)如表2所示。

2.3自由度約束

起重機(jī)門架結(jié)構(gòu)與地面基礎(chǔ)是剛性連接,門架四個(gè)支腿施加平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的6個(gè)自由度約束。部件間的較接在有限元軟件中通過耦合節(jié)點(diǎn)并釋放節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度來模擬實(shí)現(xiàn),如象鼻梁與臂架頭部的連接,人字架頭部與平衡梁之間的連接以及臂架下端與轉(zhuǎn)臺(tái)的連接。

2.4載荷組合

根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范要求以及實(shí)際作業(yè)工況,計(jì)算時(shí)將工作幅度、吊載設(shè)定在最不利的工作狀態(tài)。該門座起重機(jī)的最危險(xiǎn)工況為最大工作幅度32m,起升載荷10t。計(jì)算起重機(jī)在該載荷組合狀態(tài)下金屬結(jié)構(gòu)的受力和變形情況,判斷其強(qiáng)度和剛度是否滿足使用安全要求。在安全評(píng)估時(shí),該起重機(jī)基本處于無風(fēng)狀態(tài),因此該有限元分析采取無風(fēng)工況計(jì)算。

3計(jì)算結(jié)果分析

通過有限元軟件分析計(jì)算,得到該起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)所受到的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在平衡梁與臂架相連接的部位,達(dá)131.3MPa,應(yīng)力分布如圖1所示。從圖1可知,起重機(jī)整體應(yīng)力分布較為合理,總體應(yīng)力值小于100MPa,金屬結(jié)構(gòu)在截面發(fā)生變化位置出現(xiàn)部分集中應(yīng)力,象鼻梁和平衡梁總體應(yīng)力值比其他部件大。該起重機(jī)服役年限長(zhǎng),并且在有限元模型建立過程中做了部分簡(jiǎn)化處理,因此計(jì)算結(jié)果的最大應(yīng)力比實(shí)際應(yīng)力值大。

4應(yīng)力測(cè)試

應(yīng)力測(cè)試布點(diǎn)位置參考有限元計(jì)算的總體結(jié)果以及對(duì)起重機(jī)無損檢測(cè)時(shí)的測(cè)試結(jié)果,再結(jié)合安全評(píng)估的實(shí)際需求,設(shè)定測(cè)試工況。有限元分析相對(duì)應(yīng)的測(cè)試工況為:工作幅度9m,起吊10t,上升制動(dòng):變幅到32m幅度,下降制動(dòng):逆時(shí)針回轉(zhuǎn)459,順時(shí)針回轉(zhuǎn)909,再逆時(shí)針回轉(zhuǎn)459:最后將臂架變幅至9m并卸載。該測(cè)試結(jié)果不包含自重應(yīng)力,該工況下的測(cè)試結(jié)果如表3所示。

由測(cè)試結(jié)果可知,該門座起重機(jī)在該測(cè)試工況下,最大的應(yīng)力值出現(xiàn)在人字架受拉側(cè)的工字梁上,為86.1MPa,除人字架結(jié)構(gòu)應(yīng)力值稍大外,其余測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值均相對(duì)較小。在不考慮起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的自重應(yīng)力測(cè)試下,實(shí)測(cè)結(jié)果比有限元計(jì)算值低,總體應(yīng)力分布趨勢(shì)大致相符。

5結(jié)語

本文利用有限元軟件對(duì)造船門座起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況進(jìn)行計(jì)算分析,并與實(shí)際應(yīng)力測(cè)試結(jié)果相比較,可以看出兩者的分布趨勢(shì)較為一致。通過有限元計(jì)算得到該門座起重機(jī)最大幅度起吊時(shí)的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在臂架拎點(diǎn)與平衡梁相連的位置,最大值為131.3MPa:人字架應(yīng)力分布與整機(jī)應(yīng)力分布相比也較大,與實(shí)際測(cè)量結(jié)果相符,所有計(jì)算結(jié)果以及測(cè)試結(jié)果都在材料的許用應(yīng)力之內(nèi),考慮到該起重機(jī)已使用超過50年,測(cè)試結(jié)果雖然都符合規(guī)范要求,但安全裕度已較小,使用時(shí)應(yīng)加以重視。