大型薄壁焊接卷筒有限元受力计算

大型薄壁焊接卷筒有限元受力计算 邹 晖华 张增培 1武汉 市特 种设 备监督 检验 所 武汉4 3 0 0 1 9 2青岛科技 大学机电工程学院青岛2 6 6 0 6 1 摘要 结合具体算例 以有限元分析软件 A n s y s 为工具 对大型薄壁焊接卷筒进行受力分析 并与常规校 核计算应力结果进行比较 从中得到 2种分析结果差异的原因 分析比较发现 弯扭合成应力计算时 引用材 料力学空心轴弯扭理论并加 以考虑离心力 的影响 对分析计算 结果尤 为重要 关键词 大 型薄壁焊接卷筒 有 限元 分析 中图分 类号 T H 2 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 1 0 4 0 0 6 6 04 Ab s t r a c t Wi t h t h e s p e c i fi c e x a mp l e s a n d t a k i n g t h e fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s s o f t wa r e An s y s a s t o o l t h e p a p e r c o n du c t s s t r e s s a n a l y s i s o f l a r g e t hi n wa l l e d we l d i n g r e e l a n d g e t s t h e r e a s o n f o r t he di f f e r e nc e s c o mpa r e d wi t h no r ma l s t r e s s c a l cu l a t i o n r e s u l t Th e c o mp a ris o n a n d a n a l y s i s s h o w t ha t a p p l y i n g ma t e r i a l me c ha n i c s h o l l o w s h a ft b e n di n g a n d t o r s i o n t he o r y a n d c o n s i d e r i n g t h e i n f l u e n c e o f c e n t r i f u g a l f o r c e i s p r e t t y i mp o r t a n t i n t h e b e n d i n g a n d t o r s i o n c o mb i n a t i o n s t r e s s c alc u l a t i on Ke ywo r d s l a r g e t h i n wa l l e d we l d i n g r e e l fin i t e e l e me nt a n a l y s i s 0 前言 近年来 大型焊接卷筒成 为大型起重机 中应 用越来越多的一种结构形式 它是影响起重机卷 绕装置如起升机构 变 幅机构 牵 引机构等工作 特性及其制造成本的关键零 部件 设计和制造一 直倍受关注 对于起重机的焊接卷筒壁厚一直 由 经验公式确定 即取卷筒的壁厚等于钢丝绳直径 然后根据需要做 强度 和稳定性校核 这种方法虽 然简便实用 安全可靠 但从起重 机生产厂和使 用单位的工程实践证 明 现有起重 机上使用的大 型焊接卷筒壁厚设计方 法偏 于保守 随着起重机 的不断大型化和高速化 如果继续 采用传 统的设 计方法 大型焊接卷筒壁厚将 随钢 丝绳 直径 同步 加大 由此会带来一系列问题 到 目前为止 国际 国内尚无 1套 能替代 上述 传统方法 的设计大型薄壁焊接卷筒壁厚的新 理论 和方法 基于 以上考虑 本文开展 降低卷筒基 本 壁厚 的大型薄壁焊接卷筒承载能力研究 1 大型薄壁焊接卷 筒的受力和变形特点 要研究薄壁 焊接 卷筒的强度 就要考虑应力 沿壁厚的变化 卷筒 的壁厚承受着薄壁焊接卷筒 一 6 6 一 传递扭矩所引起 的扭转应力 钢丝绳拉力引起 的 弯曲应力 钢丝绳在 薄壁焊接卷筒上卷绕 时对薄 壁焊接卷筒的压应力 薄壁焊接卷筒上 的扭 转应力 比较 小 可忽略 不计 在较短的卷筒 中 弯 曲应力也可不予考虑 因此 薄壁焊接卷简壁厚主要与钢丝绳在卷筒上 卷绕时对薄壁焊接卷筒的紧箍作用 有关 紧箍作 用引起 的应力使 薄壁焊接 卷筒受 到压缩和 弯曲 如果薄壁焊接卷筒是在具有拉力的一圈绳索 的影 响下发生变形 那么薄壁焊接卷筒应力 的类别将 十分清 楚 然而 薄壁焊接卷简在实 际工作 中 并不是 仅仅受到 1 个卷绕绳圈作用 的载荷 而是受到 了 依次排列 的多绳 圈作 用 的载 荷 如 果在 薄 壁焊 接卷筒上所 有 的绳 圈都保 持着 钢丝 绳 原来 卷绕 薄壁焊接卷筒 时 的拉 力 则 当薄 壁 焊接 卷 筒上 布满 了卷绕上 的钢 丝 绳 时 由弯 曲应力 引起 的 变形 消 失 在 薄 壁 焊接 卷 筒 表 面 的 每 一 点上 作用着 沿 径 向的 压缩 载荷 即只受到均匀 的外 压 见 图 1 为求钢丝绳拉力 5在薄壁焊接卷筒壁 内引起 的应力 首先应该求得绳 圈拉力 s在薄壁 焊接卷 筒表面单位面积上引起 的应力 P 起重运输机械 2 0 1 1 4 f P I S 图 1 薄壁 焊接卷简的外压 P 式中 D为薄壁焊接卷简直径 t 为薄壁焊接 卷筒槽距 卷绕于薄壁 焊接卷筒 上的钢丝 绳 每一绳 圈 的拉力都不相 同 钢丝绳与薄壁 焊接卷筒绳槽 之 间的摩擦 妨碍 了钢丝绳 拉力问 的平 衡关系 考 虑到这一点 可 以通过下式来确定 薄壁焊接卷筒 的外压 P 0 8 5 2S 对于外压作用 下的结构 由于加筋 有效地参 加整体结构 的受力 所 以 在 计算 时也 应将加筋 考虑在 内 计算环 向加 筋圆筒壳就像计算 具有相 应当量厚 度的假想光壳一样进 行 假定把 环筋均 匀 铺平 在壳的表面 即可求 出当量厚度 A 式中 F 为 环 筋 的横 截 面 面 积 A 为 当 量 系数 为了研究方便 把薄壁 焊接卷筒作 为 1个 圆 筒 只是在计 算外压时把绳槽 的高度简化成等 效 厚度加到薄壁焊接卷简壁厚上 假定外压沿轴 向 Z 都是均匀分布 筒两端 为简支端 在进行分析时 采用极坐标 r 0 Z 表示各分量 根据简体 的 受力和约束特点可以进一步假设 筒体 中间任何 1 个横截 面变形 前是 平面 变形 后仍 然保 持平 面 由于轴对 称 性 0 y 坩 Y 0 径向应力与切 向应力仅是 r 的函数 与 0无关 即 r r 同理 应变 分量 为 r r 0 Y 0 即认为薄壁焊接卷筒是 1个 轴对称的平 面应力问题 2 大型薄壁焊接卷简 的载 荷处理 2 1 大型薄壁焊接卷简的载荷分析 在起重机 的起升机构 中通常是将 钢丝绳单 层 起重运输机械 2 0 1 1 4 卷绕在卷 筒上 且双联 薄 壁焊接 卷 筒较 为典 型 单联薄壁焊接卷筒较简单些 故仅分析单层卷绕 双联薄壁焊接卷 筒的情况 对 于单 层薄壁焊接卷 绕的卷筒 而言 卷筒在 工作 中承受 的应力为 薄 壁焊接卷筒传递扭 矩所引起 的扭转应 力 钢丝绳 拉力引起 的弯 曲应 力 钢丝绳在 薄壁 焊接卷筒上 卷绕时对薄壁焊接卷 筒的 紧箍作用 的应 力 卷筒 上的扭转应力较小 可 以忽略不计 在较短 的薄 壁焊接 卷筒 中 弯 曲应力也 可不 予考 虑 因此 薄壁焊接卷筒壁厚 主要与 钢丝绳在卷筒 上卷绕时 对薄壁焊接卷筒 的紧箍 作用有关 紧箍作用引起 的应力使卷筒受到压缩 和弯 曲 薄壁 焊接卷筒在 具有一定拉力 的单 圈绳索 的作用下将产生局部弯 曲变形 而薄壁焊接 卷筒在受到依次排 列的许多 绳圈载荷 作用 下 也 将依 次产 生局 部 弯 曲变 形 对于钢丝 绳拉 力引起 薄壁焊 接卷 筒 的弯 曲应 力 通常对 长径 比较 大 的薄壁焊 接卷 筒才 比较 明显 而对于粗短形状 的薄壁焊接卷筒 这种整体 弯曲 应力可不考虑 2 2大型薄壁焊接卷筒壁载荷的计算 大型薄壁焊接 卷筒在工作 中受 到钢丝绳 的作 用 一是未缠 到薄壁焊接卷筒 的钢 丝绳拉力使 薄 壁焊接卷筒受弯 和受 扭 但 由于薄壁焊接卷简直 径很大 也 即惯性 很 大 因此 这些力 所产生 的 应力可 以忽略不计 二是 已缠上薄 壁焊 接卷筒 的 钢丝绳拉力对薄壁焊接卷筒产生 的径 向压力起决 定性 作用 因此 在 计算 薄 壁焊接 卷筒 强度 时 只考虑缠满 l 层的工况 每圈钢丝绳 的轴 向拉力按 提升机规 范取最大 静拉力 为 了确定缠绕 钢丝绳 时对薄壁焊 接卷筒 的压力 计算公式为 2 2 S po 那 么 整个薄壁焊 接卷筒 所受 到的钢丝绳 的 压力 为 P p o A 式 中 A为有绳槽薄壁焊接卷筒 的表面积 在 计算里是将集 中载荷转化为均布载荷 2 3 大型薄壁焊接卷筒端侧板载荷的计算 薄壁焊接卷筒 端侧板 工作时 每 当钢 丝绳缠 绕至薄壁焊接卷筒端部最后 1圈 并 向新 l 层过渡 时 在这个过渡 圈 内 因钢 丝绳对端侧板 的楔人 一 6 7 作用而产 生轴向推力 该力 的大小 除了与钢丝绳 的张力 卷筒结构及缠绕情况有关外 还 与钢丝 绳和钢丝绳 和筒壁 的摩擦情况有关 此轴 向力作 用的结果将使端侧板产生弯 曲 并 在端侧板 与薄 壁焊接卷简壁过渡处 产生较为复杂的应力状态 单层缠绕端侧板轴向推力为 N 1 1 4 5 S e一 式中 为卷筒端侧板轴 向推力 S为钢丝 绳缠绕层数 e为 自然对数的底 e 2 7 1 8 F 为 钢丝 绳额定 拉力 港口起重机对于大型薄壁焊接卷筒一般只考虑 单层卷绕的卷简形式 即S取为 1 端侧板和卷筒壁 是相互影响的 主要体现在 转角处附近 域 当缠绕层数 较少时 这种影 响 总是有利 的 轴 向推 力使筒 壁产生轴 向应力 但 由于钢丝绳和简壁之间的摩擦作用 此应力只具 有局部效应 对筒 身中间部位影 响很小 陔力主 要影响卷筒壁 的弯 曲应力 距支撑越远这种影响 越小 同样 该力对卷简壁环 向的应力也较小 端侧板的轴向力应是均布集 中载荷 在 A n s y s 计算 中 为了便于计算将其简化成均布的载荷 3 计算实例 及结果分析 3 1 基本参数 双联薄壁焊接卷筒总长度 L 5 5 8 0 n l in 卷 筒两端切有绳槽长度 L 2 6 0 0 ml l 薄壁焊接卷筒 中间不切绳槽 部分长度 L 1 4 0 1 1 1 1 1 卷简直径 D l 8 5 0 IT I I I I 两侧端板厚度 5 0 n l l Y l 卷筒壁厚度 h 4 3 m m 绳 槽 节 距 t 5 0 n l lT l 钢 丝 绳 直 径 d 4 5 m m 钢丝绳的最大静拉力 S 6 1 3 3 4 7 7 4 N 薄壁焊接卷筒材料为 Q 3 4 5 3 4 5 M P a 大型薄 壁焊接 卷 简结 构 如图 2所 示 网 2 薄壁焊接卷筒结构示意图 3 2 约束条件 焊接薄壁卷简 的作用力 方 面是 没有缠 到卷 一 6 8 筒上的绳对卷筒的作用力 卷筒像一般的空心轴 一 样要受到这个力 的弯曲和扭转 这个力即为钢 丝绳对薄壁焊接 卷简的拉力 另一个 是缠绕到滚 筒上的绳的张力 对滚筒的作用 可看作是在筒壳 外有 1 个均匀的压力作用在筒壳上 好像 1 个密闭 的圆筒在海底其 四周受 到均布水压一样 只是筒 壳 的两 端在提 升处并 不受 侧面 的压力 在计算分析对薄壁焊接卷筒 的加载有 以下几 种 钢丝绳作用在卷筒上的压力 此处压力按 均 布载荷处理 钢丝绳作用在薄壁焊接卷筒上 的拉 力 此处钢丝绳 拉力取为最大静拉力 端板 对薄 壁焊接卷筒 的轴 向推力 根据对 薄壁焊接卷 筒工 作情况的分析 可以看 出在支 轮轮毅 与轴 的连接 处变形很小 冈此 将 2支轮轮毅 与轴 的连接处 看成边 界条件也 即约束 其一端 视为 固定约束 另一端在轴 向上可 以有一些移动 但在其他 方向 的位移和转 角都被约束 在 A n s y s 模 型约束处理 中 将一端加全约束 另一端加 方向的约束 在剖面处 根据对 实际问题 的分析 应该施加对 称约束 即在剖 面处只有径 向位移 而无其他方 向的位移 故在剖面处施加对称约束 3 3计算结果及分析 对薄壁卷筒采用板壳单元 s h e l l 6 3建立模型 加载分析可 以得 出大型薄壁卷 筒的变形图 卷筒 应力分布等值 图 如图 3 图 6所示 一0 47l 9 0 7 0 23 6 7 24 0 00l 5 41 0 23 3 6 42 0 46 8 82 6 0 3 5 4 3l 5 O l 1 9 l 3 2 0 I l 6 05l 0 3 5l 2 34 0 5 8 6 4l 7 图 3卷简沿 X轴方 向的受力变形 薄壁卷筒受力后变形很 小 经过 与变形前的 薄壁焊接卷筒分析 比较可以发现 薄壁卷筒 的带 有绳槽部分的变形 比较 明显 卷筒在左右 2部分 最后 1圈绳槽 的变形最大 薄壁双联卷筒在受钢 丝绳拉力的绳槽附近变形 比较明显 由图 5所示 薄壁焊接卷筒一端沿 z轴变形很大 可 以在该端 增加 1 个挡板或 者增加该端端板 的厚 度 以改变 起重运输机械 2 0 1 1 4 0 0l 4 6 44 0 l 5 7 44 5 0 32 9 53 5 0 50l 62 4 0 67 3 7I 4 图 4 卷简沿 y 轴 方向的受 力变形 图 图 5 卷简沿 z轴方 向的受力变形图 0 1 6 3 88 5l 78 9 03 41 5 1 5 5 04 2 06 66 6 2 5 9 7 7 7 7 6 0 2 1 2 9 2 2 8 l 8 0 8 5 3 2 3 2 4 7 9 图6 大型薄壁卷简的应力分布等值图 这种一端变形 比较 明显 的现象 图 6所示的大型薄壁卷筒 的应力分布等值 图 可以看出薄壁焊接卷筒 承载时的筒壳最大应力 并 不出现在卷筒 的中间位置 而是出现在 中间两侧 的位置上 这与其他相关资料上介绍的完全 吻合 应力等值图是根据 V o n Mi s e s 应力 即第 四理论 强 度计 算 的 应 力 由 图 中 可 以看 出最 大 应 力 为 2 3 2 4 8 MP a 小于材料的许用应力 2 5 9 4 MP a 故 薄 壁卷筒的强度满足 一 作要求 3 4 有 限元 分析 与 常规 校核 比较分 析 算例的计算结 果和有 限元 分析表 明 传统 的 起重运输机械 2 0 1 1 4 薄壁焊接 卷筒 壁厚 设计 和稳定性 校核 方法保 守 因为未充分考 虑绳槽 两 端幅板及边界 条件 卷 筒长度等 的影 响 未充分利用 材料 通 过有限元 分析 在安 全可靠 的基础 上 可 以减薄 卷筒的壁 厚 从而方便加工 焊接 同时减 轻 了薄壁焊接 卷简 的