在役造船门座起重机结构有限元分析及应力测试

引言

由于造船门座起重机长期处于露天以及腐蚀性等恶劣环境中工作,其金属结构作为主要的承载部件在工况载荷作用下,容易产生裂纹、腐蚀等缺陷。起重机金属结构一旦出现缺陷,将对修造船作业造成重大的安全隐患,带来巨大的经济损失甚至发生伤亡事故。对服役时间超过15年以上的起重机,国家市场监管总局提出需对其进行安全评估,以保障起重机的安全运行,减少金属结构的维护费用。因此,分析起重机金属结构的强度,并对其金属结构关键位置进行应力测试,可提高起重机的使用安全性,降低发生安全事故的概率。本文利用有限元分析软件对某造船门座起重机进行有限元分析,将所得到的分析数据与安全评估应力测试数据进行比对,确保起重机的运行安全可靠。

1起重机概况

某造船门座起重机已服役超过50年。该起重机额定起重量为12t,最大工作幅度为32m,具体技术参数如表1所示。整机金属结构包括组合臂架、人字架、平衡梁、转台和门架结构,其中组合臂架采用目前已不常见的拉索式组合臂架。该起重机工作时间长,金属结构有一定损伤,材料厚度均有所折减,计算时采用实际测量数据。

2有限元模型的建立

2.1单元选取

在有限元模型建立过程中,采用了3种单元类型:

(1)Beam188单元。Beam188单元是两节点的三维单元,适用于细长梁的分析,并考虑了剪切变形的影响,臂架、象鼻梁、人字架、平衡梁、转台以及门架均可运用此单元建立模型:

(2)Link180单元。Link180单元是受杆轴方向拉压的三维杆单元,适用于模拟析架、缆索等。因此,柔性拉索以及门架连杆的模拟可以采用Link180单元:

(3)MAss21单元。MAss21单元是一个具有6个自由度的点元素,每个方向可以具有不同的质量和转动惯量。而起重机中的配重、滑轮组在力加载时可简化为集中质量,因此可采用MAss21单元建立模型。

2.2材料属性

该起重机金属结构各部件的材料均一致,因此密度、泊松比、杨氏模量也均相同。材料各项属性参数如表2所示。

2.3自由度约束

起重机门架结构与地面基础是刚性连接,门架四个支腿施加平动和转动的6个自由度约束。部件间的较接在有限元软件中通过耦合节点并释放节点的转动自由度来模拟实现,如象鼻梁与臂架头部的连接,人字架头部与平衡梁之间的连接以及臂架下端与转台的连接。

2.4载荷组合

根据起重机设计规范要求以及实际作业工况,计算时将工作幅度、吊载设定在最不利的工作状态。该门座起重机的最危险工况为最大工作幅度32m,起升载荷10t。计算起重机在该载荷组合状态下金属结构的受力和变形情况,判断其强度和刚度是否满足使用安全要求。在安全评估时,该起重机基本处于无风状态,因此该有限元分析采取无风工况计算。

3计算结果分析

通过有限元软件分析计算,得到该起重机金属结构所受到的最大等效应力出现在平衡梁与臂架相连接的部位,达131.3MPa,应力分布如图1所示。从图1可知,起重机整体应力分布较为合理,总体应力值小于100MPa,金属结构在截面发生变化位置出现部分集中应力,象鼻梁和平衡梁总体应力值比其他部件大。该起重机服役年限长,并且在有限元模型建立过程中做了部分简化处理,因此计算结果的最大应力比实际应力值大。

4应力测试

应力测试布点位置参考有限元计算的总体结果以及对起重机无损检测时的测试结果,再结合安全评估的实际需求,设定测试工况。有限元分析相对应的测试工况为:工作幅度9m,起吊10t,上升制动:变幅到32m幅度,下降制动:逆时针回转459,顺时针回转909,再逆时针回转459:最后将臂架变幅至9m并卸载。该测试结果不包含自重应力,该工况下的测试结果如表3所示。

由测试结果可知,该门座起重机在该测试工况下,最大的应力值出现在人字架受拉侧的工字梁上,为86.1MPa,除人字架结构应力值稍大外,其余测点的应力值均相对较小。在不考虑起重机金属结构的自重应力测试下,实测结果比有限元计算值低,总体应力分布趋势大致相符。

5结语

本文利用有限元软件对造船门座起重机金属结构的应力分布情况进行计算分析,并与实际应力测试结果相比较,可以看出两者的分布趋势较为一致。通过有限元计算得到该门座起重机最大幅度起吊时的最大等效应力出现在臂架拎点与平衡梁相连的位置,最大值为131.3MPa:人字架应力分布与整机应力分布相比也较大,与实际测量结果相符,所有计算结果以及测试结果都在材料的许用应力之内,考虑到该起重机已使用超过50年,测试结果虽然都符合规范要求,但安全裕度已较小,使用时应加以重视。