（机械电子工程专业论文）基于proengineer、ansys的船尾a形吊结构有限元优化设计.pdf

摘要 论文针对目前国内船尾a 形吊( 简称a 形吊) 设计现状，应用c a d c a e 技术 对传统设计方法需要对其进行了大量改进，改变了过去设计工作中计算数据精度 很低、安全系数过大、设计成本较高等缺点，提高了a 形吊的结构性能，改善了 a 形吊目前较传统的设计方法的不足。 论文选用p r o e n g i n e e r 和a n s y s 软件分别作为设计系统和分析系统 ( c a d c a e ) 。针对a n s y s 对复杂机械零件建模比较困难的缺点，选择三维设 计软件p r o e n g i n e e r 对a 形吊进行实体建模。对于a 形吊主体结构部件，首先在 p r o e n g i n e e r 中进行三维实体建模，利用m e e h a n i c a 的有限元分析功能对结构进行 初步有限元分析，然后根据分析结果对结构进行改进，直至达到比较理想的结果， 最后通过i g e s 数据交换接1 3 将模型导入到a n s y s 中进行精确的有限元分析，得到 a 形吊各主要部件的位移和应力分析结果：对于关键部件滑车吊耳和液压缸凸 耳，首先在p r o e n g i n e e r 中进行实体建模，在m e c h a n i c a 环境下对各设计变量进行 局部灵敏度分析，然后根据局部灵敏度分析结果选择主要设计变量进行全局灵敏 度分析，最后在已选择的目标函数、约束条件下，对结构进行优化设计，得到各 关键部件的位移和应力分析结果。通过对结果的分析，得出一系列的结论，并通 过设计的吊重试验验证了结论的正确性。 论文的研究方法具有一定的工程实用价值和较广的适用性，它对于同类大型 结构设计的强度计算和结构改善有着重要的借鉴作用。 关键词：a 形吊：计算机辅助设计；计算机辅助工程；三维实体建模；有 限元分析 a bs t r a c t a i m i n ga tt h ep r e s e n td e s i g n i n gc o n d i t i o no fd o m e s t i cs t e r na - f r a m e ( a f r a m e f o rs h o r t ) ，c a d c a ei su s e dt oi m p r o v et h eb e h i n d h a n dd e s i g n i n gm e t h o d i n t r a d i t i o n a lm e t h o d ，al o to fh y p o t h e s i s e sa n ds i m p l i f i c a t i o n sw i l lb em a d e ，a n di tw i l l b r i n gal o to fd i s a d v a n t a g e s ，s u c ha sl o wp r e c i s i o n ，l a r g es a f ef a c t o r s , h i g hc o s ta n ds o o n t h et h e s i sr e s o l v e st h e s ed i s a d v a n t a g e sa n dg r e a t l yi m p r o v e st h es t r u c t u r e p e r f o r m a n c eo fa - f r a m e p r o e n g i n e e ra n da n s y sa r es e l e c t e d a st h ed e s i g na n da n a l y s i ss y s t e m ( c a d c a e ) a i m i n ga td i f f i c u l t yt o s o l i dm o d e l i n gc o m p l e xm e c h a n i c a lp a r t s ， p r o e n g i n e e ri ss e l e c t e dt od o3 ds o l i dm o d e l i n gf o ra - f a m e f o rm a i nc o m p o n e n t so f a f r a m e ，f i r s t l y3 ds o l i dm o d e l i n gi sd o n ei np r o e n g i n e e r , t h e ne l e m e n t a r yf i n i t e e l e m e n t sa n a l y s i s ( f e af o rs h o r t ) i sd o n ei nm e c h a i c ae n v i r o n m e n t a c c o r d i n gt ot h e a n a l y s i sr e s u l t ，i m p r o v e m e n ti sd o n et ot h es t r u c t u r eu n t i lr e a c h i n gr e l a t i v e l ye l i g i b l e r e s u l t a tl a s t ，b yd a t ae x c h a n g ei n t e m l c e i g e s ，t h em o d e li si m p o r t e dt oa n s y s b yi t sp o w e r f u lf e a ，d i s p l a c e m e n t sa n d s 订e s s e so f t h em a i na f r a m ec o m p o n e n t sa l e c a l c u l a t e d f o rc a r r i a g ep r o t r u s i o na n dc y l i n d e rp r o t r u s i o n , f i r s t l y3 ds o l i dm o d e l i n g i sd o n ei np r o e n g i n e e r , t h e nl o c a ls e n s i t i v i t ya n a l y s i so fs o m ed e s i g n i n gv a r i a b l e si s m a d ei nm e c h a n i c a , t h e na c c o r d i n gt h ea n a l y s i sr e s u l t , s o m ev a r i a b l e sa r es e l e c t e da s t h em a i nd e s i g n i n gv a r i a b l e sa n dg l o b a ls e n s i t i v i t ya n a l y s i so ft h em a i nv a r i a b l e s a t l a s t , i nt h ec o n d i t i o no fs e l e c t e do p t i m i z a t i o nf u n c t i o na n dc o n s t r a i n t s , s t r u c t u r e o p t i m i z a t i o na n a l y s i si sd o n ea n dd i s p l a c e m e n t sa n ds t r e s s e so f t h e s ec o m p o n e n t sa g e c a l c u l a t e d a c c o r d i n gt h ec a l c u l a t i o n ，s o m ec o n c l u s i o n sa r cr e a c h e d , a n db yt h e h o i s t i n ge x p e f i m e n lc o n c l u s i o n sa r ep r o v e dr e a s o n a b l e t h er e s e a r c hm e t h o di s p r o v i d e dw i t he n g i n e e r i n gp r a c t i c a b i l i t ya n dw i d e a p p l i c a b i l i t y i th a ss o m eu s ef o rr e f e r e n c et ot h es i m i l a rl a r g es t r u c t u r ei n s t r e s s c a l c u l a t i o na n ds t r u c t u r ei m p r o v e m e n t k e y w o r d s ：a f r a m e ，c a d , c a e ，3 ds o l i dm o d e l i n g ，f e a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得雕 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文牛 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：彩瓯琵j 】 签字日期： 一7 年2 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：殇q 国1 签字日期：疚7 年三月日 导师躲内狞穆 签字日期： 印年2 月日 第一章绪论 1 1 课题的来源及意义 第一章绪论 随着世界各国对能源的需求不断增加，陆地石油已经不能满足需求，占全球 石油资源总量的3 4 的海洋石油越来越受到各国的青喇1 1 。于是，许多国家纷纷 重视海洋石油的开发，并建立了自己的海洋油田。浮式生产储油船和海洋石油平 台作为海洋油田的重要载体，在石油开发中具有极其重要的作用。浮式生产储油 船锚泊系统的安装与维护，海洋石油平台的安装与维护，以及海底输油管道的铺 设无疑离不开海洋工程，离不开海洋工程辅助船。船尾a 形吊( 简称a 形吊) 作 为海洋工程辅助船的重要设备，在海洋工程中得到了广泛的应用，a 形吊起重范 围可以从几吨到几十吨甚至几百吨。如何使其结构更加合理，使用更加方便，成 本更加低廉，仍是a 形吊设计、制造中的重要研究课题。 笔者有机会参加某海洋工程公司a 形吊的设计与研制工作。在设计工作中发 现a 形吊在跨度和起重量一定的条件下，如何根据最大应力一致或刚度一致的原 则，对其结构( 尺寸) 进行优化设计与分析，从而保证结构受力合理，在满足强 度、刚度的条件下，使其自重降低，是a 形吊设计中值得研究与开发的课题。 1 2 本课题的国内外研究动态 1 2 1 起重机械的发展与分类 上个世纪7 0 年代以来，起重机械无论是在产量上还是在品种及质量上都得到 了极其迅速的发展1 2 j 。特别是国家加大基础工程建设规划的实旋，建设工程规模 日益扩大，起重安装工程量越来越大，需要吊装和搬运的施工材料和机器设备的 重量也越来越大。大型电站、石油、化工、路桥、冶炼、航天以及工用民用高层 建筑的安装作业的迫切需求，极大地促进了起重机，特别是大型起重机的发展。 具体体现在以下几个方面1 3 j ： 1 ) 通用型起重机以中小型为主，专用起重机向大型化发展 现代化工程施工，要求不断提高起吊、安装、装卸及搬运作业的机械化程度， 起重机的发展是以轻便灵活的中小型起重机为主，如汽车起重机，目前国内外普 遍用1 0 - 4 0 吨级的起重机。因此，国内外都很重视改进和提高中小吨位起重机的 第一章绪论 性能。 在中小型起重机得到良好发展的同时，大型工程用起重机也得到了很好的发 展。目前超过1 0 0 吨级的轮式起重机的品种逐渐增多。总的来说，大型或特大型 轮式起重机以珩架臂式起重机为主。 2 ) 广泛采用液压技术 由于液压与液力传动体积小、重量轻、结构紧凑，能无级调速，操作简便， 运转平稳，工作可靠等优点，近年来在国内外各种类型的起重机上得到了广泛的 应用。目前国内外液压起重机在品种和产量方面都有较大的发展，特别是大吨位 液压起重机发展非常迅速。我国的主要起重机械厂，近年来的产品多是液压起重 机，现已研制成功的有3 、5 、8 、1 2 、2 0 、6 5 、8 0 、1 2 5 等吨级的伸缩臂式液压起 重机。1 0 0 吨级以上大型珩架臂式汽车起重机也开始采用液压传动。目前国外已 有4 0 0 吨级的液压汽车起重机。中小吨位的起重机普遍采用液压传动。随着液压 技术和液压元件的发展，液压起重机将会得到进一步的发展。 3 ) 发展一机多用产品 为了充分发挥起重机的作用，扩大其使用范围，有的国家在设计起重机时重 视产品的多用性。例如在工作装置设计方面，除了使用吊钩件外，还设计配备了 电磁吸盘、抓斗、落铲和木料抓取器等取物装置。有的还设计成用于建筑基础工 程中，如装设钻孔装置和打桩拔桩装置等一机多用产品。又如在整机设计方面， 为了适应不同用户的不同需要，塔式起重机采用组合设计。 4 ) 重视“三化”，逐步采用国际标准 目前各国在发展起重机新产品中都很重视“三化( 标准化、系列化、通用 化) ，一些国家对工程起重机制订了国家标准，规定了起重量系列。有些国家对 起重量虽然无统一的规定，但各制造厂自成系列，注意采用通用零部件，为生产 和使用提供了有利条件。 我国对轮式起重机和塔式起重机分别制订了基本参数系列，统一产品型号和 等级。1 9 8 3 年制定了汽车起重机和轮胎起重机基本参数( 腰1 3 7 5 8 3 ) 以及起重 机设计规范( g b3 8 11 8 3 ) 。 目前世界上许多国家，不仅重视制订本国的产品标准，而且非常重视采用国 际标准( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do r g a n i z a t i o n ，简称i s o ) 。有的国家基本废除了本 国国家标准而直接采用1 s o 标准。我国政府也提出：全面加速采用国际标准和国 外先进标准，尽快缩短我国产品质量水平与世界先进水平的差距，改变我国产品 质量落后的状况。 5 ) 采用新技术、新材料、新结构、新工艺 为了减轻起重机的自重，提高起重性能，保证起重机高效可靠地工作，各国 2 第一章绪论 都非常重视采用新技术、新材料、新结构和新工艺。 新技术的应用除表现在广泛采用液压传动外，有的起重机还采用液力传动。 液力变矩器和发动机的恰当匹配，使发动机扭矩自动地适应行驶条件；采用动力 换挡变速箱和液压转向装置以减轻司机的操作强度。 为了防止起重机超载以致倾覆，近年来研制了电子式起重力矩限制器，这是 一种较为完善的安全装置。当载荷接近额定起重量时，力矩限制器自动发出警报 信号；当超载时，力矩限制器自动切断起重机工作机构的电源以保证起重机整机 的安全。 采用新技术特别是电子技术和信息控制技术，进一步完善操作条件，提高控 制性能，是国内外发展工程机械的一个普遍倾向，即所谓机电一体化。为了进一 步改善司机操作环境，除司机室宽敞，视野良好，保温隔热和隔声外，还装置有 远距离联系设备和工业电视设备等。 高强度合金钢的采用，为起重机减轻自重，特别是吊臂自重，创造了极为有 利的条件。国外在上个世纪8 0 年代出现得4 0 0 、5 0 0 吨级的轮式起重机，就广泛采 用了高强度合金钢。国外有的采用极限强度达7 0 0 9 0 0 n m m 2 的高强度合金钢制 作箱形伸缩吊臂和珩架式吊臂，支腿横梁及底架大梁通常采用高强度易焊合金 钢。 为了减轻起重机的自重，除了采用高强度钢材外，在结构形式方面的改进也 是十分重要的。设计先进合理的箱形吊臂已引起了各国的普遍重视，近年来轮式 起重机出现了盆形底座，其上车通过回转支承安装在盆形底座上，依托盆形底座 在对角方向安装四个辐射式( 可摆动) 支腿。这样吊重负荷经由盆形底座直接传 递给支腿，使起重机底座只承受行驶时的自重，从而减轻了起重机的自重。 起重机械的种类较多，通常按主要用途和构造特征对其进行分类。按主要用 途可分为通用起重机、建筑起重机、冶金起重机、造船起重机、甲板起重机等。 按构造特性可分为桥式类型起重机、臂架式起重机以及固定式起重机等等。图1 1 是起重机械按构造机械分类图。 3 第一章绪论 起 重 机 械 轻 小 型 起 重 机 械 臀 架 式 起 重 机 桥 式 起 重 机 广固定臂架式起重机 i广门座起重机 1l 塔式起重机 l 运行臀黻旋转觌重机一浮警重机 l 轮式起重机 i 履带武起重机 l 铁路起重机 r 遁用桥式起重机 i 龙门起重机和装卸桥 i 缆索起重机 l 冶金专用起重机 图1 - 1 起重机械分类 1 2 2 船尾a 形吊的研究现状 船用起重机在西方起步较早，特别是欧美国家，f a g i o l ip s c 公司、利勃海尔 公司、玛蒙特公司和特雷克斯一德马格公司从事重型起重设备的设计和生产工作 拥有几十年的历史，具有相当高的水平。目前国外的发展方向为：数据总线控制 系统、模块单元化设计和控制元件的研发等等。国内在船用起重机方面也有相当 的发展，目前的发展方向主要为：新材料的应用、新装置的研制和新零部件的采 用、产品设计的系列化、柔韧部件的使用、传动和控制系统设计的标准化以及结 构优化设计手段的应用1 4 j 。 根据现有的文献资料，国内外在起重机械结构优化设计方面的研究已有些 先例。1 3 0 0 t 浮式起重机由于起重量及起升高度大、工况复杂，因此金属结构庞 大；借助先进的有限元分析，可以对其受力特性作全面、详细的了解，以达到在 保证安全使用的前提下，获得较好的经济性【5 l 。w q 3 5 0 型桅杆起重机是中国石油 化工总公司第七建筑工程公司的新产品，它的设计通过大型有限元分析软件 a n s y s 进行了整体有限元分析，确保了结构的整体强度和稳定性1 6 1 。宝钢2 5 4 顶顶顶 机 斥斤斤芦芦 降 千千千萌萌 升 簪旋压谚动 梯货 馨蛾瀛季电 电载 l t j l t j 一 舻 僦 。l 第一章绪论 t 一2 7 5 m 桥式起重机在超额定载荷及高频率使用过程中已使用多年，为了确定其 使用寿命，应用m s c m a r c 有限元分析程序，结合现场实测结果，对该桥式起 重机进行了多种工况下的分析，并与现场测试数据进行对比，为确定其使用寿命 提供依据1 7 吲。文献【1 0 】用大型通用集成i d e a s 软件对m q 3 0 0 起重机进行有限元 分析计算，确保了起重机结构分析结果的可靠性。文献【11 】应用有限元分析软件 m s c n a s t r a n 对门式起重机金属结构进行结构优化；通过优化分析，获得了起 重机结构主要梁构件的优化设计参数，有效地改进了其结构【1 2 1 。文献 1 3 】以三杆 超静定桁架结构为例，验证了基于可靠性的结构灵敏度计算的有效性和正确性 1 4 - 1 s 。文献【1 9 1 以一个具有强度、刚度和振动频率约束的悬壁梁形状优化算例， 采用有限元结构分析与优化算法相结合的方法，把先进的二次规划迭代法应用 于三维实体的结构优化设计中，起到了很好的效果。文献【2 0 】以某轻型客车的车 架为例，探讨了用有限元法进行结构优化与灵敏度分析的一般思路，得到了满意 的结果【2 m 3 1 。参照起重机械的研究情况，可以发现a 形吊的研究，特别是国内， 主要存在以下一些问题： 1 ) a 形吊的结构设计，采用传统的设计方法，需要对其进行大量的假设和 简化，使得计算数据精度很低，安全系数过大，设计成本高； 2 ) 运用有限元技术对结构进行优化设计，可以起到很好的设计效果，但需 要耗费比较多的计算机运行时间； 3 ) 仅采用灵敏度分析对结构进行优化设计，可以极大地缩短计算机的运行 时间，但是准确度不足。 1 3 本论文的主要工作 针对1 2 中提出的不足，论文将以三维实体建模软件p r o e n g i n e e r 和大型有限 元分析软件a n s y s 为工具，采用有限元方法和灵敏度分析相结合的方法对结构 进行建模、优化。具体内容和技术方案如下： 1 ) 对a 形吊主体结构进行模块化设计，对各个部分进行三维实体建模，建立 结构各部分的数学模型和力学模型，对结构进行初步有限元分析，得到其应力和 位移云图，根据应力及其分布情况对结构进行优化设计； 2 ) 对滑车吊耳和液压缸凸耳部分，采用灵敏度分析方法对结构件设计参数 进行局部灵敏度分析，然后选择对结构应力及其分布较大的设计参数进行全局灵 敏度分析，得到其对应力及其分布的影响情况，最后选用这些设计变量对结构进 行优化设计： 3 ) 设计吊重试验验证对结构进行优化改进的合理性。 5 第二章概述 2 1 综述 第二章船尾a 形吊概述 起重机械是用来对物料进行起重、运输、装卸和安装作业的机械。它可以完 成仅靠人力无法完成的物料搬运工作，减轻工作人员的体力劳动，提高劳动生产 率，在工厂、矿山、车站、港口、建筑工地、仓库、水电站以及施工船等多个领 域和部门中得到了广泛的应用。随着生产规模日益扩大，特别是现代化、专业化 生产企业，各种专门用途的起重机相继产生。在很多重要的部门中，它不仅是生 产过程中的辅助机械，而且已成为生产流水作业线上不可缺少的重要机械设备， 它的发展对国民经济建设起着积极的促进作用。 运输装备的一个工作循环一般包括上料、运送、卸料及回到原位的过程，即 取物装置从取物地点由起重机构把物料提起，由运行、回转或变幅机构把物料移 动，然后物料在指定地点下放，接着进行相反动作，使取物装置回到原位，以便 进行下一次的工作循环。起重机工作时，各机构经常是处于起动、制动以及正向、 反向等相互交错的运动状态中。在道路、桥梁和海上油田等建筑施工中，起重机 械的使用范围更加广泛。无论是装卸设备器材，吊运浇筑混凝土及其它建筑物料， 尤其是水电工程施工，不但规模浩大，而且地理条件特殊，施工季节性强，工程 本身复杂，使用起重机械可以有效地提高工作效率。 船尾a 形吊( 简称a 形吊) 为课题研究对象，是某工程辅助船的主要设备， 安装于某工程船船尾，在某海上油田锚泊系统的改造工程中具有重要作用。船尾 a 形吊采用液压驱动，门式结构摆幅工作，其上装有可横向移动的滑车，目前已 经完成施工，图2 1 为装配施工现场。 2 2 船尾a 形吊基本参数 2 2 1 起重量 起重量，作为a 形吊的主参数，是指a 形吊的安全工作载荷，即a 形吊的额 定起重量，应大于或等于起重作业时的实际起重量【2 4 1 ；其含意是指a 形吊允许 吊起的重物与可分开的吊具的质量之总和，单位为吨( t ) 。本课题研究的a 形吊 额定起重量为1 5 0t 。 6 第程概进 2 2 2 跨距 船尾a 形吊一殷部足支腿l 划定n 船尾的底庠r ，这两个底庳中心线i h i 讲i 水、f 距离即为a j | m 的跨度t 。社位为米( m ) 。本课题研究的a 彤m 跨距为1 4o m ，冲 跨趴( 婀个支腿川的实际水1 距离) 为13 3 6 m 。a 彤m 的跨距足根据j 二秤船的胤 格决定的。 8 誊i 黧引卜汰“。一：j 4 蹦2 - i 船尾a 形粥装配现场 圈2 2 a 彤吊结构示意罔 】- n 2 - 撒m n3 - # # 4 - m 牛5 - m 4 i i , # r 6 - j t l t 第二章概述 2 2 3 幅度 幅度是指a 形吊工作时，吊钩中心线到支腿与底座连接销孔中心的最大水平 距离。单位为米( m ) 。a 形吊工作时有舷内与舷外两种状态，因此幅度有舷内与 舷外两个。课题研究的a 形吊，舷内幅度为5 7 3 m ，舷外幅度为6 6 8 m 。 2 2 4 起升高度 起升高度一般是指从工作场地地面算起到其取物装置上极限位置极限位置 之间的垂直距离。吊具是吊钩钩环内圆弧下端点。对取物装置要落下到地面或地 面以下工作的起重机，其吊具落到地面以下的深度为下降深度。总起升高度为起 升高度与下降深度之和。单位为米( m ) 。本课题研究的a 形吊起升高度为1 5 5 1 m 。 2 2 5 行程 行程是对a 形吊滑车而言的，它是指滑车处于左右两个极限位置时，滑车中 心线之间的水平距离。a 形吊工作时滑车会可能出现在左舷或右舷，因此滑车具 有左舷行程和右舷行程。 左( 右) 舷行程是指滑车处于左( 右) 舷极限位置时，滑车中心线与滑车在 中间位置时滑车中心线之间的水平距离。单位为米( m ) 。课题研究a 形吊行程为 5 2 m ，左舷行程为3 2 m ，右舷行程为2 0 m ，当a 形吊满载工作时，左右舷行程同 为1 0 m 。 2 3 船尾a 形吊的基本结构 船尾a 形吊主要由以下几部分组成1 2 5 , 2 6 】( 如图2 2 ) 。 底座，其作用一是将a 形吊旋转部分的载荷传递给支腿，二是安装a 形吊的 支腿。底座采用板式焊接结构设计，由两块纵板和多块起加强作用的横板组成， 将最终焊接到工程辅助船甲板上。 横梁，承受从滑车部分传递来的载荷。横梁采用箱式焊接结构设计，考虑到 横梁工作时中间应力较大的特点，横梁采用中间大、两端小的变截面形式。在横 梁的中间焊接有四块方钢成的导轨，实现滑车的横向移动。滑车液压缸另一端焊 接在横梁上，设计中对该部位进行了局部加强。 支腿，承受从横梁传递来的载荷。支腿采用箱式焊接结构设计，根据支腿的 受力特点，支腿为上端大、下端下的变截面形式。其上安装主液压缸的部位受力 8 第二章概述 较大，设计中对该部位进行局部加强。支腿与横梁采用螺栓连接。 滑车，承受从吊钩传递来的载荷。滑车采用箱式焊接结构设计，与导轨的摩 擦形式为滑动摩擦。滑车的运动形式为沿横梁方向的滑动，下端通过钢丝绳、滑 轮与吊钩部分相连。 2 4 结构材料 船尾a 形吊以q 3 4 5 d 为主要结构材料，下面对q 3 4 s d 做简单介绍。 q 3 4 5 d 属于低合金高强度结构钢，其化学成分为：碳0 1 8 ；锰1 0 0 1 6 0 ；硅0 5 5 ；磷0 0 3 0 ；硫0 0 3 0 ；钒0 0 2 0 1 5 ；铌o 0 1 5 0 0 6 0 ；锑o 0 2 - o 2 0 ；铝o 0 15 ，其上为其主要成分，此外还有少 量的镍和铬f 2 7 , 2 8 。q 3 4 5 d 的力学和工艺性能见表格2 1 。 表2 1q 3 4 5 d 的力学和工艺性能 屈服点o r ，( m p a )冲击值厶( 纵向) 抗拉强度伸长率 厚度( 直径、边长) ( m m ) ( j ) 盯6以 ( m p a )( ) 1 6+ 2 0 0 一2 0 一4 0 1 6 3 53 5 - 5 05 0 - 1 0 0 4 7 0 3 3 53 2 52 9 52 7 5 _ _ 2 23 4 6 3 0 q 3 4 5 d 综合力学性能好，焊接性、冷热加工性能和耐腐蚀性能均较好，具有 良好的低温韧性，主要用于船舶、锅炉、压力容器、石油储罐、桥梁、电站设备、 起重运输机械及其它较高载荷的焊接结构件的制造。 2 5 工况与载荷 a 形吊在工作过程中，要承受各种载荷( 如静载荷、动载荷、冲击载荷、振 动载荷等) ，各承载零件和结构件会产生相应的变形，如果超过一定的限度，就 会丧失功能甚至破坏，从而造成危险事故l 冽。 a 形吊在作业工程中，承受载荷的复杂性不仅反映在载荷种类的多样性上， 而且随着起重作业的工作状况的不同而表现出多变的特性。载荷是a 形吊及其组 成部件正常工作受力分析的原始依据，也是零部件报废和事故原因判断分析的依 9 第二章概述 据，载荷确定的准确与否将直接影响计算结果的安全性和事故结论的正确性。 总的来说，a 形吊受到的载荷分为静载荷和动载荷两大类。 当a 形吊处于静止状态或稳定状态时，a 形吊只承受自重载荷和起升载荷的 静载荷作用。自重载荷包括a 形吊的金属结构、机械设备、电气设备，以及附设 在a 形吊上的其它设备的重力。载荷的作用方式可以分别考虑，一般情况下可以 作为集中载荷处理。起升载荷是指起重质量的重力，包括允许起升的最大有效负 载、取物装置( 如滑轮组、吊钩、容器等) 、悬挂挠性件等等。起升高度为1 5 5 l 米，小于5 0 米，起升钢丝绳的重量可以不计。 动载荷是a 形吊在运动状态改变时产生的动载效应。动载荷包括变速运动中 结构自重和起升载荷产生的惯性载荷、由于海况条件产生的冲击载荷、惯性载荷 和冲击载荷使金属结构和机构的弹性系统产生振动的振动载荷。动载荷与运动方 向和工作速度有关，与结构因素( 如系统质量的分布、系统的刚度和阻尼等) 有 关，而且与使用条件( 如外载荷的大小及其变化规律、有无冲击等) 有关。为了 计算方便，通常用动力系数( 动载荷与静载荷的比值) 表示。针对a 形吊的工况 条件，根据船舶及海上设施起重设备规范2 0 0 1 ( 中国船级社，北京：人民交 通出版社) 取动载系数为1 2 。图2 3 为a 形吊工作简图。 2 图2 3a 形吊工作简图 1 重物，2 船尾a 形吊，3 绞车，4 - 工程辅助船 2 6 液压与控制系统 船尾a 形吊的变幅机构、滑车运行机构均采用液压传动，与其它的传动方式 相比，液压传动具有单位功率的重量轻、工作平稳、快速性好、调速范围大、布 局灵活方便等优点【3 们，1 蛩2 - 4 为其液压系统原理图。 1 0 第二章概述 图2 - 4 船尾a 形吊液压系统原理图 l 主液压缸：2 - 横车液压缸；3 ，4 - 先导型平衡阀；5 ，6 - 先导塑三位四通换向阀； 7 - 三位四通手动换向阀；8 - 梭阀；9 - - - - 位四通电磁换向阀；1 0 ，1 1 高压球阀： 1 2 油泵；1 3 一中压球阀；1 4 冷却器；1 5 ，l 纠氐压球阀；1 7 ，1 8 滤油器：1 9 压力表 油泵由电机驱动，经由滤油器1 7 从油箱中吸油，经由高压球阀1 0 输出压力油， 同步泵输出的液压油通过冷却器1 4 进行冷却。手动换向阀7 ( 左) 可控制液压油 的流向，从而操纵横车液压缸，实现横车的横向运动；手动换向阀7 ( 右) 可控 制液压油的流向，从而操纵主液压缸，实现支腿收放。为了实现两个主( 支腿) 液压缸的同步性，两个主液压缸采用并联的方式连接，并运用平衡阀平衡两支腿 液压缸的油压，保证两支腿液压缸同步。 在图2 4 所示状态，机构不工作，各换向阀处于中位，液压泵卸荷。当换向 阀5 处于左位时，液压油从油泵1 2 出来，经由高压球阀1 0 进入平衡阀3 ，进入主液 压缸l ，从而推动支腿伸展；当换向阀5 处于右位时，液压油从油泵1 2 出来，经高 压球阀1 0 进入平衡阀3 ，进入主液压缸1 ，从而推动支腿收缩。当换向阀6 处于左 位时，对于滑车液压缸回路，液压油从油泵1 2 出来，经高压球阀1 0 进入平衡阀3 ， 进入滑车液压缸2 ，从而推动滑车向左运动；当换向阀6 处于右位时，液压油从油 泵1 2 出来，经高压球阀1 0 进入平衡阀3 ，进入滑车液压缸2 ，从而推动滑车向右运 动。 第三章主体结构有限元分析 第三章主体结构有限元分析 几乎所有的机械设计都会涉及到机械零部件的应力和变形问题，为结构的强 度和刚度提供依据。要准确的计算出力学结果，必须求解一系列的弹性力学方程。 但这些方程本身和边界条件的复杂性，使求解十分困难。有限元方法解决了上述 问题。目前，有限元法在工程中的应用最为广泛，尤其是在计算机技术飞速发展 的今天。从应用数学的角度来说，有限元法基本思想的提出可以追溯到 c o u r a n t 在1 9 4 3 年求解s t v e n a n t 扭转问题p 。1 9 6 3 至u 1 9 6 4 年b e s s e l i n g ， m e l o s h ，j o n e s 等人证明了有限元法是基于变分原理的里茨法的一种形式， 从而使里茨分析法的所有的原理都适用于有限元法。6 0 年代后期，对加权余量法， 伽辽金法的应用使有限元法得到极大的推广。有限元法不仅能用于工程中复杂的 非线性问题，非稳态问题的求解，而且还可用于工程设计中进行复杂结构的静态 和动态分析。 p r a t t & w h i m e y 公司的工程师应用有限元分析代替设计试验，使航天飞机发 动机的关键零件的生产周期从原来的一年半缩短为两个月。为适应高速动力车对 速度的要求，在机车结构的设计中应用有限元分析，合理选择车体截面形状和尺 寸，使机车结构有足够的强度和刚度，并且要最大限度的减轻车体的重量。随着 有限元技术的成熟，有限元在工程中得到了极其广泛的应用。 随着计算机在工程领域的广泛应用，出现了如s a p ，s l o g o ，a n s y s 等较为成熟 的有限元分析软件，使得有限元分析切实可行且简便。有限元法能针对施工机械 实际使用的结构边界条件进行定量的分析计算，为设计提供了丰富的，反映实际 工作情况的计算结果，并可以配有丰富的动态图形显示功能p 引。目前对有限元 的研究主要集中在有限元模型的自动离散及其分析结果的计算机可视化。 本章对船尾a 形吊( 简称a 形吊) 主体结构进行了模块化设计，主要分为以 下几个模块：滑车模块、横梁模块、支腿模块以及底座模块，并对每个模块进行 了有限元分析，下面将对各个模块进行分别阐述【3 卯。 3 1 滑车模块 3 1 1 滑车模块受力分析 滑车为a 形吊的关键部件，a 形吊的横向移动主要通过滑车沿横梁的滑动来 1 2 ：耋= 现，其结构丰要有板村焊接而成，示意图自l 料3 一l a 所d 圈3 i 滑1 = 维宜体醋栏掣 旺口 r l n 3 3 滑卞模型的应力5 图 在a , 嘭h i i 作过程中，滑乍受力比较复杂也括铡丝绳的拉力、册车和横粱 的摩擦力、附加山、扑j r 力等等但以钢神绳的托力为最人其它力远小于钢缝 乒严 一 岛一 第三章主体结构有限元分析 绳拉力。因此，为简化计算忽略其它力的影响，只取钢丝绳拉力为外载荷。对滑 车进行受力分析，如图3 2 所示。 其中互、最为钢丝绳作用于凸耳的拉力，f = 2 5 9 3 7 4k n 、e = 1 6 9 9 4 5 k n ，墨、r 为横梁提供的支撑力，q 为滑车自重的等效均布载荷q - - 3 8 8 7 8 k n m 。 将模型导入到a n s y s 中，进行应力分析，得到的应力云图如图3 3 a 所示。从 图中可以看出，在凸耳上方出现应力集中，为此对应力集中部分进行局部加强， 改进后的结构如图3 1 b 所示。 下面将以改进后的滑车为例，详细阐述有限元分析过程。 3 1 2 模型的建立 a n s y s 是大型通用有限元分析( f e a ) 代表软件【3 6 】。a n s y s 不是专业的三维实 体建模软件，对于结构比较复杂的机械零部件，直接利用软件提供的工具进行几 何建模较为困难。本文使用三维实体建模软件p r o e n g i n e e r 建模，通过i g e s 数据 转换接1 2 1 ，将模型导入a n s y s 进行分析。图3 _ 4 为建模分析流程图。为缩短分析运 行时间，对模型进行简化处理( 如去除一些对结果影响不大的倒角，圆孔) ，简 化后的模型如图3 5 所示。 3 i 3 结构离散化 将滑车结构离散为由各种连结单元组成的计算模型【3 7 ，3 8 1 。离散后单元间利 用单元的节点相互连接起来，单元之间的力仅靠节点传递。在a n s y s 中，处理 的过程就是对其进行网络划分。 进入a n s y s 环境，导入p r o e n g i n e e r 输出的i g e s 模型文件【矧。选用四面体块 单元s o l i d 9 2 ，此单元是l o 节点四面体结构实体单元，在保证精度的同时允许使 用不规则的形状，s o l i d 9 2 有相容的位移形状，适用于曲线边界的建模。每个节 点有三个自由度：沿节点坐标x 、y 、z 方向的平动；s o l i d 9 2 具有塑性、蠕变、 应力强化、大变形和大位移的功能。图3 6 a 是s o l i d 9 2 单元的示意图，图3 6 b 是其 输出参数图。考虑到模型较大，要求的精度不是很高，采用m e s h t o o l 进行自由网 络划分，智能网格s m a r ts i z e 设置为8 。由于滑车的主要失效形式一般情况下都是 在凸耳处的断裂，因此对凸耳部分适当进行网络细化【删，最终生成有限元网格 模型如图3 7 所示，单元数4 6 1 5 7 ，节点数9 3 6 8 5 。 1 4 第三章主体结构有限元分析 3 1 4 边界约束与载荷 滑车工作时，在横梁上滑动作业，因此对其与滑道接触部分施加约束。钢丝 绳的拉力是通过滑轮、连接销传递到滑车上的。将图3 2 中滑车所受力施加到模 型上。 3 1 5 单元特征分析 1 ) 选择未知量模式有限单元分析主要有位移法( 以节点位移为基本未知 量) 、力法( 以节点力为基本未知量) 、混合法( 以部分节点力和部分节点位移为 基本未知量) 三种方法，其中以位移法应用较广泛1 4 l 】。 位移法中，通常将位移表示为坐标变量的简单函数，此函数称为位移函数。 图3 - 4 滑车设计分析系统集成流程图 1 5 第t 审t 件结构有限元分析 罔3 5 滑- 维赏体简化楼掣 a ) 宜体单元罔 b ) 单元输m 参数目 嘲3 - 6s o l i d 9 2 单元结构图 蚓3 7 骨车的响限冗同倍模型嘲 蚓3 8 耳处的网格细化 2 ) 分析单元的力学性质根据单元的村料性质、形状、八寸、节点数f 、 位置及梵含义等t 找 单元竹点力和竹 位移的关系式。利朋弹性力学巾几方 程和物理方程建立力和位移的方程式，从m 导山币几h 0 度矩阼， 3 ) 汁锋等效盯点力物体离散后假定力足通过节点从一个单元f 递到另 一个竹点的t 叩用等效节点力代替所有怍川往竹几r 的力。 l 第二章卡体结构有限元分析 3 1 _ 6 单元组集 利用结构力的平衡条件和边界条件把各个荦冗按原来的结构靛新连接起来 彤j 戊整体的有限儿n 程吲： 脚= ( 3 i 式中肝一整体结构的刚皮矩阵i 旷一肯点位移矩阵： 产一找荷矩阵。 3 1 7 求解未知节点位移 求解过程就是求解方程式( 式3 1 ) 的过程。 在a n s y s 中利用求解器求解，得i “模，n 应力云l 矧，如l 刳3 。9 所乐，凸耳处 应山厶图蛐髑3 1 0 所示。 瑶3 - 9 滞4 嵌型d 0 应山a q 由罔3 9 和图3 一1 0 得到如下结论 1 ) 滑卞结构所受的、b nm i s e s 综合应山最人值为2 1 4m p a ，满足殴引要求( 设 计最大许州应力为3 4 5m p a 06 7 - 2 3 im p a ) 。 2 ) 凸耳部分是结社j 中受力较大也较为集巾的部分，实际工作巾受力状况 敛。如何降低凸耳处的麻力提高机械疲芳强度成为滑芈设分析的重点， 也足提高零件寿命的戈键。 3 ) 从总体结构l 来看零件所受的应山除l 凸耳部分其余郝分较低一口 以请足强度要求，而且有较人的优化字问。 32 横梁模块 横梁为a 彤m 的关键部件，横粱上钉四个方钢组成的导轨以支持滑车的横向 第章主体结构有限冗分析 移动，萁结构t 要板材焊接f 酊成的箱体结构，在p m ，e “g j n e e r 中对再个焊接忭 分别建模，装 e 后如图3 一i l 所d ；，为了绵短分析运行时m ，对模型进行简化处理 简化j 舌的模砸如图3 1 2 所示， 嘲3 i i 横梨铆坼维虫体设模型阿3 1 2 横桨一维蜜体简化模型 na 形吊r 作i ：p d 中，横梁受力比较复朵包括滑乍对横粱的作用力、滑年 和横梁的摩擦力、风载荷等等但以滑车对横梁的作用力为最大，其它力远小于 该作用力。闻此为简化计算，忽略扎它力的影响，诹滑车对横粱的作用力为 外裁荷。滑车在横棠p 移动时，横粱的受力会芨生相麻的堂化由 = 程力学可知， 当惜车在t p 问f ：) 置时横粱受到的应力最大。f 而分析滑车枉巾f l j 时横粱的受力 情| 兕，并将苴分解到阿个垂直、f 面，如幽3 1 3 所4 i ( 单位m m ) 。 t h 自 ，n l l n j ! _ l 口 工 口 卫 口丁工 口 正 口 工删 l “ l 司三二二二二二= 面二二二二! n 。 蹦3 ，l3 镁棠受力简幽 其r p 、矗为滑，# 埘横粱分别沿乖直平面和水半而的分力厅= 2 1 9 96 8 3 k n 、凡= 5 0 15 1 8k n 。 利用p r “e n g i n e e r 软件叶1 自带的有限几分析工凡舯模型进行仞少分析m “i ， 发现( 见| 冬| 3 1 4 所示) 在薄板i 厚板连接处 现应力集中现象。为此提 | 以f 政进打窠： 第j 葶1 体结蜘有限元分析 幽3 。i8 横粱改进后的订限元婀格模型 幽3 - 1 9 横繁故进后模型的心力i 图 埘连接处的尖爿j 部分进行倒嘲角处理，分析结果见罔3 i s ： 2 ) 对连接处的尖角部分结构加强分析结粜见图3 1 6 ： 3 ) 时琏接处进行坡【i 处理，分析结粜见幽3 一】7 。 根据以j 改进的过程u r 以看出倒嘲角处理肘应力集中的改善很小，局部