基于ANSYS的船用全回转起重机转台优化的方法建议

基于ANSYS的船用全回转起重机转台优化的方法建议采用有限元单元法和优化设计方法，以中铁大桥局雪浪号400 t船用全回转起重机起重机为研究对象，通过计算机仿真分析，在满足起重机转台的强度、刚度和稳定性的基础上，通过调整转台的纵横向刚度比值，完成以回转机构受力均衡为主要目标的优化计算。1 起重机概述该起重机安装在船体上，主要由吊钩、吊臂、变幅机构、三角架、转台、回转机构、固定支撑机构、电气系统和液压系统组成。主要功能包括桥梁基础围堰施工、钢护筒插打、水上施工平台吊装、平台设备吊装、钢筋笼安插、桥梁构件安装架设等。本船用起重机的使用，极大地降低了桥梁施工难度、缩短了桥梁施工周期、降低了成本，同时它还可以从事港口货物的起重运输，具有广阔的使用空间。该起重机主要参数如下：起重机船艏最大起重量为400 t，最大起重力矩为12 000 t/m；全回转时最大起重量为350 t，最大起重力矩为10 850 t/m，主钩最大起升高度为65 m，副钩最大起升高度可达77 m。整机如图1所示。2 转台结构的设计对于大中型海上起重设备，设计时首先要考虑的就是结构的合理性。对于雪浪;号来讲，由于起重机起重能力大，且为海上全回转作业，受力复杂，利用常规结构模式和计算模式根本不能满足设计要求。针对这一难题，在学习借鉴国内外先进技术的基础上，设计人员在结构模式作了突破：在转台和固定支撑两个构件上作了创新。首先，在传统转台的结构模式基础上增加了两片桁架。这种结构模式具有三个优点：一是抬高了三角架，从而减小了三角架的受力；二是增加了纵向主梁的刚度，便于回转支撑滚轮受力均化；三是使受力更明确，传载更直接，更便于转台结构的设计及计算。3 有限元分析模型的建立对于转台结构部分全部采用既具有弯曲能力和又具有膜力，可以承受平面内荷载和法向荷载的SHELL63弹性壳单元；对于滚轮部分则全部模拟成轴向仅受压的LINK10杆单元。采用上述单元用ANSYS建模，建模过程中在不影响转台受力的情况下我们对转台尾部弧形配重箱部分作了一定的简化。建成模型共有9 580个单元，8 908个节点。模型如图2所示。4 载荷处理4.1 活载加载吊臂铰轴反力，三角架主撑杆反力，三角架拉杆反力均作用在各铰点处。4.2 恒载加载转台结构自重载荷在程序中给出比重ρ=1.14x7.85 t/m3及重力加速度g=9.8 m/s2xΦd，由程序自动加载；舶体风载及纵横倾产生的水平力通过在程序中给出纵横向等效加速度αz和αc，由程序自动加载。转台尾部配重作在对模型加载时，我们对其作了一些模拟分配：将配重总重模拟成均布力进行加载。索具起升机构，主钩、变幅、副钩绞车等其它零部件自重载荷在对模型加载时，我们也对其作了一些模拟分配，采用集中力加载模式进行加载。4.3 边界条件加载回转机构模拟滚轮的112个LINK10单元的下节点进行UY方向的约束。对转台主纵梁下盖板反支撑约束处进行UY方向的约束。5 求 解对转台结构进行静力分析，目的是找出全回转最危险工况下的滚轮最大和最小支撑力，并通过对转台纵横向刚度比值进行调整，使转台在满足强度、刚度和稳定性的条件下确保最大承载处相邻滚轮受力基本均衡。通过计算分析：本起重机当转台纵横向刚度比值约1.8时最大承载处相邻滚轮受力值以5%10%逐步递减，基本达到受力均衡的目的。按线性静力分析直接求解后的变形图和Von Mise应力云图如图3所示。6 结 论本船用全回转起重机采用ANSYS建立转台结构的有限元模型计算结果表明：通过调整转台纵横向刚度比值可使回转支撑受力均衡性得到大幅度提高，既提高了起重机作业安全性，又延长了起重机作业寿命，为起重机优化设计提供了参考经验。参考文献：【1】 陈精一，蔡国忠.电脑辅助工程分析ANSYS使用指南.北京：中国铁道出版社，2001.【2】 钟万勰.计算杆系结构力学.北京：水利电力出版社，1982.【3】 周廷藩，扬国贤.杆系结构程序设计.北京：人民交通出版社，1990.【4】 陈晓霞.ANSYS7.0高级分析.北京：机械工业出版社，2004.【5】 王金诺.起重运输机金属结构.北京：中国铁道出版社，1984.