甲板起重机底座开孔的模拟分析及轻量化优化,机械工程论文.docx

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1、甲板起重机底座开孔的模拟分析及轻量化优化,机械工程论文甲板起重机是在海上环境中执行运输作业的一种特殊起重机,主要用于舰船间货物的运输转移、海上补给、水下作业设备的投放与回收等重要任务.海上特殊的应用环境使甲板起重机的受力情况更为复杂,其构造强度要求也更高层次,十分是吊臂和底座.底座起到起重机和船舶甲板之间的连接固定作用,它承受着起重机整个工作经过中及风暴自存状态下的所有载荷,是保障起重机正常工作的基础,安全性能要求很高.底座内部安装有电机和中心集电环等零部件,为了便于内部零部件的安装和线路的连接,需要开设人孔.尺寸较大的人孔会对底座的整体强度产生很大的影响,对底座人孔开设部位进行模拟分析非常有

2、必要.并且,多年来底座的壁厚都是根据经历体验设计得来的,这种方式方法设计的底座安全可靠,但过于保守,材料的承载能力没有得到充分利用.因而,对底座进行轻量化优化,具有很大实用性1-3 .以 5t20m 甲板起重机的底座为研究对象,应用 ANSYS 软件通过有限元分析对其构造和力学性能作了讨论,并对底座进行轻量化优化.工厂实物,如此图1 所示. 2 数值分析模型 底座呈圆筒型构造,壁厚为 20mm,底座外径为 1410mm,总高度为 2250mm;人孔为长方形,宽 770mm,高 1120mm,拐角处倒圆角;设有人孔通道,起到局部加强的作用,通道壁厚为20mm,建模时去除法兰和筋板,如此图 2 所

3、示. 模型坐标系,如此图 2 所示,坐标原点取在底座底部截面中心位置,各坐标轴的正方向规定如下:面向人孔向左为 X 轴正方向;沿人孔向外为 Y 轴正方向;沿底座高度方向向上为 Z 轴正方向. 底座使用 AH36 钢板焊接而成,材料弹性模量 E=2.06 105MPa,泊松比 =0.3,材料密度 =7850kg/m3.模型主体由底座筒体和人孔通道组成,整个模型在有限元网格划分之前编辑为 12个面.采用壳单元(Shell63)四边形网格自由划分,单元尺寸设置为 3 级智能网格.在底座上端截面中心建立一个节点,并用刚性梁单元(MPC184)与上端面圆周上所有节点相连接.共得到 2191个单元(Ele

4、men)t、2244个节点(Node).建立的有限元模型4,如此图3 所示. 3 边界条件和外载荷确实定 底座下端焊接在船舶甲板上,在这里约束底座下端各条线的 6个自由度.外载荷主要包括整个起重机在最危险工况下所产生的倾覆力矩、扭转力矩和底座所承受的垂向载荷,底座自重和风载荷对其作用很小,在这里忽略不计.本起重机最危险工况为船舶横倾 5 纵倾 2 时起重机满载的工况,此时起重机底座遭到倾覆力矩、扭转力矩和垂向压力,大小分别为 M=1.53 109N mm,T=2.43 108N mm,V=156100N,经比照,当弯矩方向为-X 方向时底座产生应力最大2,5.这里所加弯矩 M 均为-X 方向,

5、T 为-Z 方向,V 为-Z方向.底座上端截面中心所建节点即为加载节点,倾覆力矩和垂向压力均加在这里节点上. 4 应力结果分析和强度校核 开孔前后的底座应力分布图,如此图 4、图 5 所示.图 5 中人孔圆角半径为 60mm.图 4 显示最大应力为 65.829MPa,位置在底座最下端,底座上端和下端应力相对较大,中间部位的应力云图成 回 字形 ,回 字形中间位置应力较大,向四周逐步减小,变化平稳;图 5 显示最大应力为 195.217MPa,位置在人孔的左上角,底座的应力分布在人孔四个角处发生应力集中,应力值明显增大,变化剧烈.由此可见,人孔对底座应力的分布产生很大影响,对底座人孔局部应力分

6、析和优化很有必要. 底座材料为 AH36,委屈服从极限 s=355MPa,安全系数取 1.5,则许用应力为 =236MPa1.开孔后人孔四周的应力值明显变大,最大应力值为 195.217MPa.因而此底座仍然知足强度要求,但应力较集中. 5 人孔设计原则和底座轻量化 由上述介绍可知,底座在开孔前和开孔后应力差异不同很大,且有应力集中情况,有必要对人孔的设计进行改良;并且底座大部分部位应力值很小,能够对其作轻量化设计. 5.1 人孔位置分析通过改变人孔的位置,分析底座的应力大小8,如此图 6、图 7所示.结果比照,如表 1 所示.由此可知,人孔开在底座中部位置时,人孔的上角和下角处的应力分布情况

7、类似,应力大小也相当,最大应力值为195.217MPa;人孔开在底座靠上位置时,人孔下角处的应力明显比上角处应力大,最大值为 234.558MPa;人孔开在底座靠下位置时,人孔上角处的应力明显比下角处的应力大,最大值为229.591MPa;由此可知,开孔的位置在底座的中部为宜. 5.2 底座的轻量化设计 在人孔位于底座中间位置的情况下,对底座进行参数化建模.基于参数化有限元分析经过的设计优化包括设计变量和目的函数.对于此底座模型,以壁厚(T)、人孔圆角半径(Fillet)为设计变量,最大应力值(Stress)为约束函数,底座质量(M)为目的函数(Objective),进行优化分析.其优化的数学

8、模型如下: 经过优化计算得到最优结果,底座优化前后圆整后的参数比照,如表 2 所示.设计变量以及目的函数的迭代历程,如此图 8、图9 所示.由此可知:(1)随着底座壁厚的明显减小和人孔圆角半径的增大,应力没有明显变大,又由经历体验可知壁厚减小应力值会明显增大,则讲明增大人孔圆角半径可有效降低应力集中8;(2)底座优化前质量为1.434t,经过优化后为 0.958t,总质量减少 32.91%6-9. 6 总结 (1)对 5t20m 甲板起重机底座开孔前后进行了应力分析,结果表示清楚:底座开孔前后应力变化明显,开孔周围出现应力最大值,底座开孔处的构造设计是该类起重机设计的关键.(2)对 5t20m

9、甲板起重机底座开孔后应力进行了校核,结果表示清楚:底座开孔后的强度知足使用要求.(3)分析了底座在不同开孔位置和人孔圆角尺寸下的应力变化,通过比照分析得到人孔设计原则:人孔应设在底座的中部位置,且在不影响其使用功能的情况下开孔圆角半径应尽量大.(4)对 5t20m 甲板起重机底座进行轻量化分析,使得其重量大大降低,减少了制造成本. 以下为参考文献 1中国船级社.船舶与海上设施起重设备规范M.北京:人民交通出版社,2007:55-59.(CCS. Specification of Lifting Equipment on Ships and Marine FacilitiesM.Beijing:

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