（船舶与海洋工程专业论文）软管吊臂架结构强度分析与研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕士学位论文 摘要 本文首先阐述了起重机的特点和各参数的选择，通过分析规范要求，针 对g p 6 3 0 2 0 2 1 5 软管吊技术参数确定其工作状态，计算其载荷，通过有限 元分析软件i d e a s w o r k 进行三维建模和强度分析，并且按照规范的要求和吊 机的选用材料，考虑疲劳，最终确定此吊机的许用应力，找出臂架优化的关 键点，从而进行臂架结构的优化设计。再次采用有限元分析软件i d e a s w o r k 进 行强度校核，并根据分析结果对原有的焊接节点进行了改进，最后确立了满 足总体功能和结构强度要求，重量最轻且施工方便的最佳设计，指出三维有 限元软件是进行强度分析计算、提高吊机整体性能的强有力的工具。 关键词：软管吊臂架( 结构) ；优化；有限元法分析 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h ec h o i c eo fa l lp a r a m e t e r so fc r a n e se x p o u n d e df i r s t a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h er u l e sa n dt h et e c h n i c a lp a r a m e t e r so f h o s e c r a n eg p 6 3 0 - 2 0 - 21 5 ，t h ew o r k i n gc o n d i t i o na n dt h el o a dw e r ed e c i d e d i nt h e a n a l y s i s ，t h ef e m s o f t w a r ei d e a s w o r kw a sa d o p t e dt oe s t a b l i s ht h e3 - dm o d e la n d t o p e r f o r mt h es t r e n g t ha n a l y s i s t h ea l l o w a b l es t r e s so ft h e c r a n ew a sf i n a l l y d e c i d e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h er u l e s ，t h em a t e r i a lo fc r a n ea n dt h e r e s u l to ff e ma n a l y s i sa n df a t i g u ea n a l y s i s t h e nt h ek e yp o i n t so fo p t i m i z i n g a l t nf r a m ew e r ed e c i d e d ，a n dt h eo p t i m i z a t i o no fa r mf r a m ec o u l db ep e r f o r m e d f e ms o f t w a r ei d e a s w o r kw a su s e dt oc h e c kt h es t r e n g t ha g a i n ，a n dt h ei n t r i n s i c w e l d i n gn o d e sw e r ei m p r o v e da c c o r d i n gt h ea n a l y s i sr e s u l t f i n a l l yt h e b e s t d e s i g n ，w h i c hn o to n l yc o u l dm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ew h o l ef u n c t i o na n d s t r u c t u r es t r e n g t h ，b u ta l s oh a dt h em i n i m a lw e i g h t ，a n dw a se a s yt ob e c o n s t r u c t e d w a sd e c i d e d t h r o u g ht h ew o r ki ts h o u l db ef o u n dt h a t3 - df e m s o f t w a r ew a sap o w e r f u lt o o lf o rs t r e n g t ha n a l y s i sa n di m p r o v i n gt h ew h o l e p e r f o r m i n go f t h ec r a n e k e yw o r d s ：a n i lf r a m eo fh o s ec r a n e ( s t r u c t u r e ) ；o p t i m i z a t i o n ；f e ma n a l y s i s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期： 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的理论意义和应用价值 船用吊机是船舶上普遍使用的一种装卸货设备，它具有起重能力大，操 纵方便，耐冲击，制动性能好，安全可靠，装卸货效率高与对货物的适应性 好等特点，在国内外各大航运企业船舶上广泛使用。 随着近年来船舶运输业的蓬勃发展，物资的流动数量也相应的持续增多， 流动频率明显的加快，船用吊机作为整个物流链的重要组成部分，对物料进 行起重、运输、装卸或安装等作业，使用越来越频繁。所以船用吊机的需求 随着船舶的需求也越来越大，同时船用吊机的市场竞争也越来越残酷，在满 足规范要求，满足使用条件的前提下，怎样减轻主承载结构的重量，降低成 本则尤为重要。本课题通过对软管吊主臂结构进行改进设计，减轻主臂重量， 降低的材料成本，同时使软管吊在配置同样系列齿圈等设备的前提下，最大 程度上提高起重重量，使其与同系列吊机更具有竞争力。 1 2 国内外研究概况 目前，船用吊车主要有，用于油船的船用液压软管吊，用于集装箱或散 货船的电液压大型货物吊，用于工程船或其他船上的伸缩，折臂式等服务吊， 另外还有用于海洋平台上的海洋工程吊机，各种类型吊机随着造船业的发展 而逐渐趋于成熟，但随着市场竞争的日益激烈，各船级社随着发展也在不断 修改规范，所以各吊机厂家都在不断优化各自吊机的设计，从而提高吊机的 性能降低吊机的生产成本，提高吊机市场竞争力。 软管吊项目，t t s 在不断进行设计的优化，已经占领中国大部分市场， 但随着市场竞争的更加激烈，需要对吊机的设计进行进一步的优化。对于国 内外吊机生产厂家由于其国内人力成本的优势，同时其所用设备均为国产设 备，其低廉的吊机部件为其赢得了价格优势。虽然1 v r s 吊机在设计上已具备 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 优势，但在日益激烈的市场竞争的形式下，也需要考虑更加具有竞争力的设 计。国内近几年通过学习国外的技术或通过合作生产的模式也逐渐诞生了几 家船用吊机生产厂家，通常其吊机主结构的设计重量相对国外船用吊机生产 厂家来讲要重，从而增加其材料成本，降低其起吊重量。 另外，船用起重设备设计日趋规范，各大船级社都相继颁布了自己的起 重设计规范。其中对载荷，安全措施进行了详尽的阐述，并且随着材料的不 断更新，结构的不断优化，设计方法的不断改进，各家规范对吊机的设计规 定每年也都在更新，但对于吊机的设计由于其标准化生产的需要也并不是每 年都在更新，因此，根据发展的需要对其进行改进设计尤为必要。 1 3 本文的研究内容 本课题大体确定以下研究内容： 1 ) 通过分析规范要求，采取相应的设计方法，从各个方面考虑对软管 吊的主臂架结构设计进行改进。 2 ) 对改进后的设计方案进行强度校核，设计出新的软管吊主臂架结构。 并且通过对特定系列船用软管吊主臂架进行结构改进设计并形成标 准化，增加此船用软管吊机的成本优势，提高市场竞争力。 2 哈尔滨丁程大学硕士学何论文 第2 章金属结构一般知识概述 2 1 金属结构的定义 本文后面章节的计算以焊接箱形梁为主，因此本部分也主要以介绍起重 机金属结构方面的知识为主。由金属材料轧制成的型钢( 角钢、槽钢、工字 钢、钢管等) 及钢板作为基本元件，彼此按一定的规律用焊接的方法连接起 来，制成基本构件后，再用焊接或螺栓将基本构件连接成能够承受外加载荷 的结构物称为金属结构。例如常见龙门起重机的上部主梁和支腿、轮式起重 机的动臂和底架等。起重机金属结构的作用是作为机械的骨架，承受和传递 起重机所负担的载重及其自身的重。 金属结构是起重机的主要组成部分。不少起重机就是按照金属结构的外 形而命名的，如桥式起重机、龙门起重机、门座式起重机、塔式起重机和桅 杆起重机等。 起重机金属结构是出现较晚的一种结构，直到1 9 世纪后期，由于钢铁工 业的发展和机器制造业的进一步完善，金属结构才得以迅速的发展。最早的 起重机是木制的，1 8 8 0 年德国制成了世界上第一台电力拖动的钢制桥式起重 机。随后，欧美一些国家相继生产出金属材料制成的桥式起重机和其他类型 的起重机，当时的起重机金属结构都是铆接结构。 2 0 世纪以来，由于钢铁、机械制造业和铁路、港口及交通运输业的发展， 促进了起重机的发展，对起重机的性能也提出了更高的要求。现代起重机担 当着繁重的物料搬运任务，是工厂、铁路、港口，船舶，海洋平台及其他部 门实现物料搬运机械化的关键，因而起重机的金属结构都用优质的钢材制造， 并用焊接代替铆接，不仅简化了结构，缩短了工期，也大大地减轻了自重。 焊接结构是现代金属结构的特征。 哈尔滨工程人学硕士学何论文 2 2 起重机金属结构的分类 起重机金属结构的种类繁多，对他们进行分类，目的是区别各种不同的 金属结构类型，找出其共同特点，便于设计和计算。 一、按照组成金属结构的基本元件的特点，起重机金属结构可分为杆系 结构和板结构。 杆系结构是许多杆件焊接而成，每根杆件的特点是长度方向尺寸大，而 断面尺寸小。常见的桁架式龙门起重机的主梁和支腿、四桁架桥架、轮式和 塔式起重机的桁架动臂都是杆系结构。 板结构由薄板焊接而成。薄板的特点是长度和宽度方向尺寸较大，而厚 度很小，所以板结构也称薄壁结构。本文所研究的船用软管吊车吊臂就是薄 壁结构，另外箱形龙门起重机的上部主梁和变截面箱形支腿，汽车起重机的 箱形伸缩臂和支腿都是板结构。 杆系结构和板结构是起重机金属结构中最常用的结构形式。 二、按起重机金属结构的外形不同，分为门架结构、臂架结构、车架结 构、转柱结构、塔架结构等。这些结构可以是杆系结构，也可以是板结构。 三、按组合金属结构的连接方式不同，起重机金属结构分为铰接结构、 刚接结构和混合结构。 铰接结构中，所有节点都是理想铰；刚接结构件间的节点连接比较刚劲， 在外载荷的作用下，节点各构件之间的相对夹角不会变化；混合结构各杆件 之间的节点，既有铰接的，又有刚接的。 四、起重机金属结构，按照作用载荷与结构在空间的相互位置不同，分 为平面结构和空间结构。 平面结构的作用载荷和结构杆件的轴线位于同一平面内；当结构杆件的 轴线不在一个平面内，或结构杆件轴线虽位于同一个平面内，但外载荷不作 用于结构平面，处于这两种情况的结构称为空间结构。 4 哈尔滨t 程人学硕士学位论文 2 3 起重机金属结构的工作级别 起重机金属结构的工作级别是表明金属结构工作繁忙程度的参数。按结 构件中的应力状态( 名义应力谱系数) 和应力循环次数( 应力循环等级) 分 为a 1 a 8 级 起重机结构的应力循环等级，可以用起重机结构在其使用寿命期间完成 的总的应力循环数来表征。这里所说的循环次数是指起升机构从吊重被起升 时开始，到准备起升下一个吊重为止。我国将起重机结构整个寿命期间总的 应力循环次数按使用情况分为1 0 级，见表2 1 。 表2 1 起重机结构的应力循环等级 应力循环等级总的应力循环次数设备使用情况 1 6 x 1 0 4 研 3 2x 1 0 4 不经常使用 6 3 x 1 0 4 弘 1 2 5 x 1 0 5 以 2 5 1 0 5 经常轻度使用 5 0 1 0 5 经常中度使用 玩 1 0 x 1 0 6较繁忙地使用 u z 2 o 1 0 6 繁忙地使用 4 0 x 1 0 6 繁忙地使用 碥 4 0 1 0 6特别繁忙地使用 起重机结构的应力状态表明结构中应力的变化程度。它与所起升的载荷 在结构中产生的应力盯r 与额定起升载荷产生的应力盯嘲之比仃，盯删以及各 个应力仃，出现的次数挖，与总的应力循环次数n 之比刀，n 有关。表示 o r ，盯一和刀，之间关系的图形称为应力谱。应力谱系数乃按下式计算 哈尔滨工程大学硕士学位论文 k 驴= 上y c d x k 即的近似式： k 卵2 厶肾n t 孝0 i 】 ( 2 - 1 ) 式中，刀r 一结构应力为盯，时的工作循环次数统计； 一实际总的工作循环次数； 盯，一第f 个结构应力，f - 1 ，2 一n ； 盯m a x 一工作中承受的最大结构应力； c 一指数，与材料性能、结构件的形状和尺寸、表面粗糙都以及 腐蚀程度有关。 起重机结构的应力状态按名义应力谱系数分为四级，见表2 2 。由式( 2 1 ) 计算出的尼。值应按表2 2 选取与其接近的较大的名义应力谱系数。如果对起 重机结构实际的应力状态不了解，通常可凭借经验预估一个合适的应力状态， 对于船用软管吊d n v 规范以及相关船用规范规定其应力状态为s 3 。根据起 重机结构的应力循环等级和应力状态，即可确定起重机金属结构的工作级别， 共分为8 级，列于表2 3 。 表2 2 起重机结构应力状态及名义应力谱系数k 应力状态名义应力谱系数构件应力说明 s 1 小0 1 2 5通常承受很小的应力，很少承受最人应力 s 2 中0 2 5 通常承受中等应力，偶尔承受最人应力 s 3 大0 5 0 通常承受较大应力，有时受到最大应力 s 4 特大1 0 0经常有规律地承受最大应力 6 哈尔滨工程大学硕士学何论文 表2 3 起重机金属结构工作级别的划分 应力状名义应力谱 应力循环等级 态 系数k o u ou 1u 2u 3 u 4 u 5u 6 u ， u 8u 9 s 1 小o 1 2 5a la 2a 3a 4a 5a 6a 7a 8 s 2 中 0 2 5a la 2a 3a 4a 5a 6a 7a 8 s 3 大 0 5 0a la 2a 3a 4a 5a 6a 7a 8 s 4 一特人1 0 0a 2 a 3a 4 a 5a 6a 7 a 8 起重机的载荷谱和工作循环次数是决定构件应力谱和应力循环次数的依 据。结构工作级别不一定与起重机的工作级别相同，视具体情况而定。 常用起重机金属结构工作级别，列于表2 4 ，供参考。本文所研究的船用软管 吊，由于其一般在到港后吊装装卸油的软管使用，故根据其特定的应力状态 及工作循环次数，其工作级别为a 2 。 表2 4 常用起重机金属结构工作级别举例 起重机类别 起重机车要用途 工作级别 一般用途a 5 i a 6 用抓斗装卸散状货物a 6 叫7 龙门起重机 电站用 a 5 造船、安装用a 5 装卸集装箱a 6 叫7 安装用 a 5 门座起重机 装卸一般货物 a 6 用抓斗装卸散状货物a 7 j a 8 轮式起重机安装和装卸用a 4 a 6 履带起重机用抓斗装卸散状货物 a 6 a 7 建筑、施工安装用h 6 0 ma 6 运送混凝土用躺0 m a 6 - 6 0 m a 7 7 哈尔滨工程大学硕十学位论文 2 4 起重机金属结构的要求 起重机是一种工作十分繁忙的重型机械，又是一种移动机械，为保证其 正常工作，对起重机金属结构提出如下要求： 一、起重机金属结构必须坚固耐用。金属结构应保证起重机有良好的工 作性能，因此，其本身应具有足够的强度、刚度和稳定性。 二、起重机的自重应力求轻巧。起重机金属结构的重量约占整机重量的 4 0 - - 7 0 ，巨型起重机则可达9 0 以上。由于起重机是移动的，因此减轻 自重不但可以节省原材料，而且也相应地减轻了机构的负荷和支承结构的造 价。 三、起重机金属结构的制造工艺性要求简单，安装、维修容易，并应注 意改善司机的工作条件。 四、起重机金属结构的外形应尽可能美观。 起重机金属结构工组不仅繁忙，而且结构自重甚大，消耗钢材很多，金 属结构的成本约占总成本的1 3 以上。因此，设法提高金属结构的性能、节 省材料、减轻自重、减少制造劳动量，从而降低成本，是起重机金属结构设 计与制造工作坚定不移的方针，也是今后发展的总趋势。 根据对起重机金属结构的基本要求，提出以下几点今后发展的方向和研 究的重点： 一、设计计算理论的研究和改进 二、改进和创造新型的结构形式 三、改进制造工艺过程 四、尽量采用先进技术 五、提高起重机的参数 六、起重机金属结构的标准化和系列化 七、采用轻金属( 铝合金) 或高强度结构钢( 低合金钢) 制造金属结构 8 哈尔滨工程大学硕十学位论文 2 5 本章小结 本章对金属结构的定义作了说明，并对起重机金属结构的分类，工作级 别，要求等方面做了简要介绍，同时根据对起重机金属结构的基本要求，提 出了今后发展的方向和研究的重点。 9 哈尔滨- t 程人学硕+ 学位论文 第3 章g p 6 3 0 2 0 2 1 5 软管吊介绍及结构特点 本文对标准g p 6 3 0 2 0 2 1 5 软管吊吊臂进行优化设计。因此本章将对该 吊机进行简单介绍 3 1g p 6 3 0 2 0 2 1 5 软管吊介绍 该吊机主结构圆柱型设计，臂架为箱型结构。主要参数如下： g e n e r a li n f o r m a t i o n 篮筐息 c r a n et y p e吊机类型：g p 6 3 0 2 0 2 1 ，5 d r i v es y s t e m 驱动系统： e l e c t r oh y d r a u l i c 电液压式 a p p l i c a t i o no fc r a n e 吊机应用类型 d e s i g nr e q u i r e m e n t s 遮盐噩盛 c l a s s i f i c a t i o ns o c i e t y 船级社 f l a gs t a t e 挂旗国 t e m p r a n g e 温度范围 s h i p b o a r dc r a n e 船用甲板吊机 a b s m a r s h a l li s l a n d s 马绍尔群岛 a m b i e n tt e m p e r a t u r e ，- 9 ，9 0 ct o + 4 5 0 c 环境温度- 9 ，9 0 c 到+ 4 5 0 c d e s i g nt e m p e r a t u r e ，- 9 ，9 0 c 1 0 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 设计温度- 9 ，9 0 c h a z a r d o u sa r e a： e x p l o s i o np r o o ft y p eo fe l e c t r i cm o t o ra n d 危险区域 s t a r t s t o pb u t t o n 防爆电机和防爆启动停止开 关 c e r t i f i c a t e s ： j 吐 c o m p l e t ec r a n e 完整吊机 ：c l a s sc e r t i f i c a t ea ss h i p b o a r dd e c kc r a n e sf o r c a r g og e a rr e g i s t e r 船级社按照船用吊车法定检 验进行发证 m a i n d a t a ：主参数 m a x l i f t i n gc a p a c i t y ( s w l ) 最大起重能力 m a x o u t r e a c h 最大臂幅 m i n o u t r e a c h 最小臂幅 h o o kt r a v e l钩头行走距离 h o o ks p e e d钩头速度 f u l l yl o a d e dh o o k l i g h tl o a d 满负荷轻负荷 s l e w i n gs e c t o r 回转扇区 s l e w i n gs p e e d 回转速度 l u f f i n gt i m e 臂架起升时间 ( m a i nj i bo n l y ) a v e r a g eu p d o w n 主 臂架上升下降平均 h e e l t r i m 横倾纵倾 p e d e s t a lh e i g h t 基座高度 p e d e s t a ld i a m e t e r ( o u t e r ) 基座直径 w e i g h to fc r a n e ( a p p r o x ) 吊机重量 2 0 2 1 5 4 ，3 4 0 1 0 2 0 3 6 0f r e e 0 ，5 8 0 5 2 4 2 0 5 0 2 6 ，5 t o n m m m 洲i n o ( d e g ) r p m s e e o ( d e g ) m i i l i n t o n 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 e l e c t r i cd a t a ：电气参数 s h i pp o w e rs u p p l y 船用电源供给 m o t o rd a t a 电机参数 s t a r t s t o pp u s hb u t t o n 启 动按钮 设计总图见图3 1 m a i n 主 a u x 副 t y p e 型号 d u t yc l a s s 工作级别 r a t i n g 功率 e n c l o s u r e 绝缘等级 i n s u l a t i o nc l a s s 绝 缘种类 t y p es t a r t e r 启动类型 1 2 4 4 0 v , 6 0 h z ，3 p h n o n e e e x d ei i b ，t 4 s 6 4 0 i d a p p r o x 8 5 k w i p5 5 f s t a r - d e l t a e e x d ei i c ，t 6 ，i p 6 6 图31 设计总图 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 3 2 臂架结构特点 该吊臂架为箱型梁结构，四面为平板拼焊而成，中间设有纵向与横向筋 板。根据计算结果，设计成山形结构中部液压缸支点处为最高部分，前后逐 渐减小，设计合理，结构简单。其具体机构如图3 2 ，3 3 。 图3 2 具体机构图( 1 ) 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 3 具体机构图( 2 ) 1 5 哈尔滨工程人学硕+ 学位论文 3 3 本章小结 本章对标准g p 6 3 0 2 0 2 1 5 软管吊吊臂作了介绍，并呈现了吊臂的详细 结构，主参数，电器参数等数据，总结出了臂架的结构特点。 1 6 哈尔滨t 程大学硕士学何论文 4 1 有限元模型 第4 章原结构的计算 本文主要对臂架的箱型梁结构进行计算，因此有限元分析时对臂架头， 绞车支架进行了简化。模型的节点总数：1 4 5 0 7 ；单元总数：1 4 8 6 5 。实体模 型如图4 3 ，4 4 。 1 7 罔43 有限凡实体模型 ，一譬j 一。 ，。 一劬二为嗲 囝44 有歌元4 正体镆犁 罔45 有琨元懵架兑9 、体模j 1 9 圈46 有限儿骨架头实体模型 罔47 有限儿网格的划分 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 4 2 载荷的计算 ( 1 )作用在起重机上的载荷 作用在起重机结构上的载荷分为三类，即基本载荷、附加载荷与特殊载 荷。 基本载荷是始终和经常作用在起重机结构上的载荷。他们是自重载荷 p g 、起重载荷p o 以及由于机构的起( 制) 动所引起的水平载荷p n 。白重载 荷由于起升载荷在不稳定运动时对结构产生的冲击作用，用起升冲击系数q o 。 考虑。起升载荷在不稳定运动时对结构所引起的垂直附加动载荷，用起升载 荷系数汐，考虑。对于某些用抓斗或电磁盘作业的起重机，由于突然卸载使起 升载荷产生动态4 减载作用，减小后的起升载荷等于起升载荷与突然卸载冲 击系数q o ，的乘积。起重机( 小车) 运行经过轨道接头或不平整轨道( 道路) 时自重载荷和起升载荷对结构产生的垂直方向的冲击与振动作用，运行冲击 系数缈。考虑。 附加载荷是起重机在正常工作状态下结构所受到的非经常性作用的载 荷。他们是：作用在结构上的最大工作风载荷p w ，悬吊物品在受风载作用时 对结构产生的水平载荷、起重机偏斜运行引起的侧向力p s ，以及根据实际情 况决定而考虑的温度载荷、冰雪载荷及某些工艺性载荷。 特殊载荷使起重机出于非工作状态时可能受到的最大载荷或者在工作状 态下结构偶然受到不利载荷。前者如结构受的非工作状态的风载荷p w 、试验 载荷以及根据实际情况决定而考虑的安装载荷、地震载荷和某些工艺性载荷。 载荷组合 以上3 类载荷按表进行组合。只考虑基本载荷组合者为组合1 。考虑基 本载荷与附加载荷组合者为组合2 ：考虑基本载荷与特殊载荷者、或三类载 荷都组合者为组合3 。每一类组合中列出了若干种组合方式、计算时应根据 哈尔滨- i = 程大学硕十学位论文 具体的机种、工况计算目的选取对所计算的结构最不利的组合方式。 表4 1 载荷与载荷组合 类 载荷组合i 载荷名称符号 别 i ai bi ci d 自重载荷 p gp g 起升冲击系数 c , o l仍p g4 p g伊lp g 基运行冲击系数 够4 本 起升载荷 p o 伊4p q p o 驴2p q 载 伊2 起升载荷动载系数 荷 突然卸载冲击系数 够3 缈3 p q 水平载荷 p hp h ip mp 1 2p h l 水平侧向力 p sp sp sp 。p s ( 2 )载荷和系数的计算 本文所研究的船用软管吊车仅限于标准作业工况。 标准作业工况：系指船用起重设备在确定安全工作负荷时所处的作业工 况，包括： 起重设备工作时，船舶处于横倾5 度，纵倾2 度； 在港内作业； 起重设备工作时风速不超过2 0 米秒( 相应风压不超过2 5 0 p a ； 起重荷重的运动不受外力的制约； 起重作业的性质，即作业的频次与动载特性符合船用规范的要求。 1 、自重载荷p g 自重载荷指的是起重机的结构、机械设备、电气设备以及附设在起重机 上的存储、连续输送机及其上的物料等的重力。 哈尔滨- t 程大学硕士学位论文 整台吊机重量为p g l = 2 5 6 8 1k g 其中臂架重量为p 6 = 9 9 2 7k g 起升冲击系数伊。 起升质量突然离地起升或下降制动时，自重载荷将产生沿其加速度相反 方向的冲击作用。0 9 q ，t 1 1 。根据规范，此处取吼= 1 0 5 。 2 、起升载荷p q 起升载荷是指起升质量的重力。起升质量包括允许起升的最大有效物品、 取物装置、悬挂挠性件及其它在升降中的设备的质量。 p q 2 2 1 0 0 0k g 其中起升载荷2 0 0 0 0 k g ，吊钩与钢丝绳共重1 0 0 0 k g 。 3 、起升载荷动载系数伊： 起升质量突然离地起升或下降制动时，对承载结构和传动机构将产生附 加的动载荷作用。在考虑这种工作情况的载荷组合时，应将起升载荷乘以大 于1 的起升载荷动载系数缈：。矽：值一般在1 0 到2 0 范围内，起升速度越大、 系统刚度越大、操作越猛烈，伊：越大。 伊2 2 i + c v v 一额定起升速度，m s v = 1 0 2 0 m s c - 一决定于起重机刚度的系数，对臂架式起重机取o 3 ，对龙门式起重机取0 6 ， 但在任何情况下臂架式起重机的伊：应不小于1 1 0 ，龙门式起重机的缈：应不小 于1 1 5 。 当v 较大，以致按表中式计算出的伊：值大于2 时，应在控制方面采取措 施使物品离地过程中加速度不致太大，且取伊：等于2 。 根据d n v ，a b s 规范规定取最小值 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 缈2 2 1 1 5 4 、水平载荷 运行惯性力p h 起重机自身质量和起升质量在运行机构起动或制动时产生的惯性力按该 质量r n 与运行加速度a 乘积的1 5 倍计算，但不大于主动车轮与钢轨间的粘 着力。1 5 倍是考虑起重机驱动力突加及突变时结构的动力效应。惯性力作用 在相应质量上。挠性悬挂着的起升质量按与起重机刚性连接一样对待。a n ( 减) 速度a 及相应的加( 减) 速时间t ，按下表推荐值选用。对于本文的软管吊， 主要是回转时所受到的惯性力，如下式计算。 p h = 1 5 a m a = 0 6 m s 2 m = ( 2 0 0 0 0 ) k g 其中a 为回转加速度 p h = 1 8 0 0 0 n 4 、水平侧向载荷 考虑船舶倾斜载荷，船舶起重机设计时应考虑船舶横倾5 度，纵倾2 度情况 下，能在港区或对海浪有良好遮蔽的海域内安全而有效地作业。此处在本软 管吊作业时横倾5 度，纵倾2 度情况下，最大角度为5 4 度。 p 。= p q x s i n 5 4 p s = 1 8 8 2 k g ( 3 )模型上载荷的施加 由此载荷的施加按i 。进行计算。 其中自重载荷为伊。p c 起升载荷为q 0 2 p q 水平载荷p h i 水平侧向力p 。 哈尔滨1 二栏人学硕十学位论文 自重载荷妒p a 靠改变重力加速度g 的方法施加： 将模型中重力加速度g 设置为 g = 98 1 。i = 98 1 1 0 5 = 1 03 m s 2 起升载荷( 垂直载荷) p2p q 最大的起升载荷为 p q i = 。2p qg = ( 1 0 0 0 + 2 0 0 0 0 ) 9 _ 8 1x 11 5 - 2 3 6 9 1 15n 运行惯性力( 横向载荷) p h p h = 1 8 0 0 0 n 。 水平侧向载荷 p 。= 1 8 8 2 k g 载荷通过臂架滑轮轴作用在臂架头上，另外由于受内力作用在绞车支架 受到钢丝绳的拉力，p = 5 0 0 0 x 98 1 x 1 1 5 。 4 3 约束 臂架根部施加约束限制住x 、y 、2 三个方向。 图48 臂架根部处的约束 哈尔滨上程人学硕+ 学位论文 另外在液压缸轴处施加约束限制住x 、y 、z 三个方向。但可以让其绕z 轴转动。 图4 9 液胍缸轴孔处的约束 4 4 有限元的计算结果 采用有限元分析计算，得h 结果如下： 从图中可以看出应力的最大点出现在主粱中间部分的下盖板1 j 腹板的连 接处。这与实际的情况完全符合。该点也就是最容易遭到疲劳破坏的点。 8 ：r ：u z2 1 ： ea 0 j gd 5 o 阿4 1 0 有限元计算结果f 整体) 哈尔滨h 晕人学硕士学何论文 u t o ，盯 d l 一一 ；递：巍1 v ：。鼍：。嚣。r ? 盐 图4 l l 有限元计算结果( 局部) 曩；乏蠹8 i i ：兽蟊篱豢誉1 ；案黧 罔4 1 2 有限元计算结果( 局部) ；! i 童薰? 爸烈撼；黯墓 ；豢：翥 鼍蛊薯：。毁岔，器 4 5 许用应力 臂架材利为a 3 6 ，( 3 - 。= 5 1 0 m p a ，o - ，= 3 5 5 按照d n vl i f t i n ga p p l a n c e 和c c s 超重机规范的规定，本软管吊的安 全系数应取1 5 ，材制的删强比小j ，0 8 ，所以直接用o - 。= 3 5 5 i5 得许用应力 为：2 3 8 m p a 。 4 6 疲劳校核 1 确定应力带系数( k 。) k 。= t y d x k 胪的近似式： 哈尔滨工程人学硕+ 学位论文 足印= 专( 芒) c 】 式中，n ，一结构应力为吼时的工作循环次数统计； 一实际总的工作循环次数； 矾一第f 个结构应力，f _ 1 , 2 ，3 n ； 仃一一工作中承受的最大结构应力； c 一指数，与材料性能、结构件的形状和尺寸、表面粗糙都以及腐蚀 程度有关。 指数c 的选取 c 是一指数，同有关材料的性能，零部件的形状和尺寸、表面粗糙度以 及腐蚀程度有关。 先来介绍一下威勒曲线，威勒曲线是一条疲劳曲线，它表示当所有应力 循环具有相同的幅值和相同的极值应力比k 时，疲劳破坏前能经受得住的应 力循环数和最大应力之间的函数关系。对这条威勒曲线，分别作以下假定： 对n = 8 0 0 0 ： 盯。o r 对8 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 时的威勒曲线斜率c 表示为。 c = t a n 伊= c + c 2 + l 因此c = 3 8 c = 7 7 图4 1 4 威勒曲线 2 零部件工作级别的确定 根据软管吊的特性其利用等级为奶 其应力谱系数为s 3 ( 应力谱系数应为s 3 ) 因此零部件工作级别为e 3 3 、应力集中情况等级 本起重机属于焊接件情况k 3 一一般应力集中。 r1 4 、确定许用应力p tj 根据应力集中情况及材料种类得出相应的工作级，。在欧洲起重机规范表 3 2 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 t a 3 6 1 中找到接近并大于疲劳许用应力的基本值b 一。】，1 2 7 m p a 首先，根据计算点处的循环特性以及最大应力的正负，由表3 3 中查出 相应的疲劳应力计算公式。这时，b 一】是疲劳许用应力的基本值b 一。】和循环 特性r 的函数。而b 一。】是由结构工作级别、应力集中情况等级和材料类别所 决定的。然后通过以上公式和计算点处的循环特性以及最大应力计算出疲劳 许用应力的基本值b 一】。 1 、应力循环特性r 应力循环特性r 按下式计算，计算时应力要带各自的正负号： 拉伸( 或压缩) 时，：旦生 盯i 咄 式中：结构件的最大应力仃一是按载荷组合i 所确定的疲劳计算点上的绝对 值最大的应力。此处由有限元算得盯一= 2 0 0 m p a 盯血是与仃一在同一载荷组合情况，同一计算位置得计算点上得绝对 值最小的应力，且应按最不利的载荷组合情况进行计算。此处由有限元 算得盯曲= 6 9 m p a 因此r - 0 3 3 2 、计算疲劳许用应力的基本值 疲劳许用应力b 斤】、应力循环特性r 、抗拉强度吒和疲劳许用应力的基 本值b 一。】( r = 1 ) 存在的关系如下表4 2 ： p 一。卜疲劳许用应力的基本值( r = 1 ) 。 c r 6 一结构件或接头材料的抗拉强度。对q 2 3 5 a 钢取- - 3 8 0 n m m 2 对 1 6 m n 钢取= 5 0 0 n m m 2 ，船用a 3 6 ，= 5 1 0 n r a m 2 。 3 3 哈尔滨工程人学硕+ 学位论文 表4 2 疲劳许用应力 交变应力一1 ， 0 j z ，_ 正应力 m = 氅 脉动应力 o ，1 1 一( 1 一上一) 厂 b 一】一疲劳许用应力，也就是结构在最不利的载荷组合情况下所受到的 最大应力，其中b 一。】：1 2 7 m p a 脚小等 1 一( 1 一土一) ， i 丁盯】_ 2 5 7m p a 。 由以上计算可知，由于软管吊利用等级很低，因此，疲劳需用应力相对 较高。 对于本吊机的许用应力取强度计算和疲劳计算的的较小者2 3 8 m p a 4 7 本章小结 通过通用有限元软件i d e a s w o r k 对吊臂进行了分析，所得结果与实际情 况基本一致，同时用解析法求出了吊臂的许用应力，并进行了疲劳校核。 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 第5 章结构优化 根据上章有限元的计算和分析，我们可以得出以下结论，臂架盖板和腹 板为主要受力部件，而侧板受力较小。 我们将结构做如下调整： 减小侧板的厚度( 1 0 m m 改变为8 m m ) ，减小液压缸支架与臂架轴之间 底板的厚度，减小上盖板厚度( 1 2 m m 改变为l o m m ) 。重新建立有限元实体模 型，按照同样的载荷进行加载，完成强度的分析与计算。 重复以上过程，通过有限元分析软件进行计算。根据计算仍然满足要求。 说明我们的优化是成功的。另外可以看出液压缸支座处底部为应力集中区， 也是应力最大的地方。我们应该设法改进和避免。这一部分内容将在下章做 详细说明。 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 图5 1 优化后的结构图( 1 ) 3 6 哈尔滨工程大学硕士学侍论文 图5 2 优化后的结构图( 2 ) 3 7 图5 3 有限元计算结果( 整体) l l 15|n15 ；一口p u ：0 h； ；l8；f u i!i 图5 4 有限儿计算结果( 局部) 篓墓：毒6 i i 蠢磊i 豢基穗：篓 图5 5 有限元计算结果( 局肯| ；) 篓j 纛。i ，：。= ；8 7 主；曼震，j ；墨三f ” 图56 有限元计算结果( 局部) 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第6 章焊接工艺分析及改进 主要针对吊臂下液压缸支座处底板与两端底板的焊接进行改进，图示所 示的焊接形式为背部封底焊在下部进行单面焊，对于现在船厂的焊接方法可 以采用陶瓷衬垫贴背部，在下部进行单面c 0 2 气体保护焊，这种焊接方法 一个优点是，焊接高效，但对于现在船厂的焊工实际状况来讲，不太切合实 际，同时作业时需对臂架进行翻身，如果焊工水平不够高，焊接完成后探伤 不容易通过。同时此点根据有限元计算，此处是最危险点，容易受到疲劳而 破坏。所以，根据需要对此点的焊接方法根据实际情况加以改进。 6 f 、 、 旦一 、 一， r 火， j j j 一。 。t 7 ，7 ，7 卜一 。|，、7 、 一7 ，一一。 、，父 图6 2 焊接节点的修改 对此处高应力集中区进行结构改进，见上图，液压缸支座处加强筋板不 连续，会使此处应力加大，鉴于此对此处结构修改为筋板连续。见下图6 3 4 2 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 。? 1 1 ，| ? j 、i j 7 ?一 、 。 ，7 、 卢、 ， 、以 ，。7 、 ；、： ，- 、 、 、 心乓。钐j 二 7 、 图6 3 液压缸支座处筋板结构改进 ，厂、v 、。一、 尸一。 一 ，土。)” 7 。r 一一_ 弩一一二t i 一 7下 叁一 、一厂夕“、 、叁 ? j ； i。 图6 4 液压缸支座处进行结构改进 4 3 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 结论 通过有限元分析软件i d e a s w o r k ，对软管吊臂架结构进行强度分析，对臂 架结构进行了设计上的优化，从而使g p 6 3 0 2 0 t - 2 1 5 m 吊车臂架在结构优化 后减轻了1 0 3 7 k g ，减少了自重，直接降低了材料成本，同时为吊重负荷增 加了上升空间，减轻了吊车液压缸，回转齿圈，驱动系统的负荷，为整个吊 机的系统优化创造了条件，同时对危险区域进行了优化( 改变肘板与横筋板 直接相连，下开r 2 5 过焊孔) ，不仅方便了施工，同时增加了疲劳寿命，而 且满足规范的要求。具体改进后的臂架结构图见附录1 ，2 。 哈尔滨工程人学硕+ 学位论文 附录l 结构优化后的设计图 4 5 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 附录2 结构优化后的臂架零件详图 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 参考文献 1 】肖汉斌，陶德馨起重机金属结构剩余寿命估算方法的研究水利电力机 械1 9 9 8 年6 月 【2 】顾华，顾益民，李力关于起重机金属结构剩余疲劳寿命的讨论水利电 力劳动保护2 0 0 0 年第2 期 【3 】孙广先一种基于剩余强度衰减的疲劳寿命可靠性分析模型机械强 度2 0 0 0 ，2 2 ( 2 ) ：1 2 9 - 1 3 3 页 【4 】蔺士忠，李浩中国甲板机械市场的调查与分析 5 】欧洲起重机械设计规范( 1 9 9 8 年修订版) 欧洲搬运工程协会技术委员会 1 9 9 8 年 6 王金诺，于兰峰起重机金属结构北京：中国铁道出版社，2 0 0 2 【7 】郭祖华，平安，王德俊结构疲劳寿命估算的计算机仿真东北大学学报， 1 9 9 8 ，1 9 ( 3 ) ：3 0 2 - 3 0 5 页 【8 】曾广斌船舶结构优化设计华中理工大学2 0 0 4 ，1 【9 】9李之义，胡国梁，胡甫才船舶辅助机械人民交通出版社，2 0 0 2 【1 0 】孙丽萍船舶结构有限元分析哈尔滨工程大学，2 0 0 4 ，8 11 】d n vl i f t i n g a p p l i a n c e s 【1 2 a b sg u i d ef o rc e r t i f i c a t ef o r c r a n e s1 9 9 1 【l3 】g ll i f i t i n ga p p l a n c e s 【14 】l rc o d ef o r l i f t i n ga p p l i a