引言

由于造船門座起重機長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。起重機金屬結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)缺陷,將對修造船作業(yè)造成重大的安全隱患,帶來巨大的經(jīng)濟損失甚至發(fā)生傷亡事故。對服役時間超過15年以上的起重機,國家市場監(jiān)管總局提出需對其進行安全評估,以保障起重機的安全運行,減少金屬結(jié)構(gòu)的維護費用。因此,分析起重機金屬結(jié)構(gòu)的強度,并對其金屬結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置進行應力測試,可提高起重機的使用安全性,降低發(fā)生安全事故的概率。本文利用有限元分析軟件對某造船門座起重機進行有限元分析,將所得到的分析數(shù)據(jù)與安全評估應力測試數(shù)據(jù)進行比對,確保起重機的運行安全可靠。

1起重機概況

某造船門座起重機已服役超過50年。該起重機額定起重量為12t,最大工作幅度為32m,具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。整機金屬結(jié)構(gòu)包括組合臂架、人字架、平衡梁、轉(zhuǎn)臺和門架結(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。該起重機工作時間長,金屬結(jié)構(gòu)有一定損傷,材料厚度均有所折減,計算時采用實際測量數(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)點的三維單元,適用于細長梁的分析,并考慮了剪切變形的影響,臂架、象鼻梁、人字架、平衡梁、轉(zhuǎn)臺以及門架均可運用此單元建立模型:

(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單元是一個具有6個自由度的點元素,每個方向可以具有不同的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量。而起重機中的配重、滑輪組在力加載時可簡化為集中質(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。材料各項屬性參數(shù)如表2所示。

2.3自由度約束

起重機門架結(jié)構(gòu)與地面基礎(chǔ)是剛性連接,門架四個支腿施加平動和轉(zhuǎn)動的6個自由度約束。部件間的較接在有限元軟件中通過耦合節(jié)點并釋放節(jié)點的轉(zhuǎn)動自由度來模擬實現(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)臺的連接。

2.4載荷組合

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

3計算結(jié)果分析

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

4應力測試

應力測試布點位置參考有限元計算的總體結(jié)果以及對起重機無損檢測時的測試結(jié)果,再結(jié)合安全評估的實際需求,設(shè)定測試工況。有限元分析相對應的測試工況為:工作幅度9m,起吊10t,上升制動:變幅到32m幅度,下降制動:逆時針回轉(zhuǎn)459,順時針回轉(zhuǎn)909,再逆時針回轉(zhuǎn)459:最后將臂架變幅至9m并卸載。該測試結(jié)果不包含自重應力,該工況下的測試結(jié)果如表3所示。

由測試結(jié)果可知,該門座起重機在該測試工況下,最大的應力值出現(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)應力值稍大外,其余測點的應力值均相對較小。在不考慮起重機金屬結(jié)構(gòu)的自重應力測試下,實測結(jié)果比有限元計算值低,總體應力分布趨勢大致相符。

5結(jié)語

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