船用起重機(jī)吊臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、船用起重機(jī)吊臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)趙九峰1，苗明21.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京1000132.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116024摘要：針對(duì)船用起重機(jī)的吊臂傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法通常采用應(yīng)力校核或按照材料力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)進(jìn)行大量簡(jiǎn)化基礎(chǔ)上的計(jì)算方法通常得到一個(gè)可行的但不是最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。本論文根據(jù)應(yīng)力和剛度的分布情況來(lái)確定變截面吊臂結(jié)構(gòu)，以ANSYS軟件為工具，詳細(xì)介紹了船用起重機(jī)吊臂的有限元分析過(guò)程，包括實(shí)體建模、載荷和約束的處理；并對(duì)船用起

2、重機(jī)吊臂進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。為設(shè)計(jì)人員提出合理建議，以滿足設(shè)計(jì)要求，得出的結(jié)論為船用起重機(jī)吊臂的設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。關(guān)鍵詞：吊臂；船用起重機(jī)；變截面；有限元分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)中圖分類號(hào)：TH218文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A0引言引言船用起重機(jī)俗稱克令吊（crane）。船上起重設(shè)備很長(zhǎng)時(shí)期使用吊桿裝置，但在20世紀(jì)40年代已開(kāi)始在一些船上采用起重機(jī)，二次大戰(zhàn)后才逐步推廣使用，到60年代初期，隨著船舶停港時(shí)間縮短和加快裝卸速度，從而出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)便可

3、靠和起重能力大的起重機(jī)，致使起重機(jī)在船上得到廣泛采用。船用起重機(jī)是船舶上的主要起重設(shè)備，在國(guó)內(nèi)外有廣泛的市場(chǎng)，運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，提高船用起重機(jī)的性能，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖1船用起重機(jī)結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖Fig.1Thestructureschematicofshipcrane船用液壓起重機(jī)是船上普遍使用的一種裝卸貨設(shè)備它具有起重能力大、操縱方便、耐沖擊、制動(dòng)性能好、安全可靠、裝卸貨物效率高與對(duì)貨物的適用性好等特點(diǎn)在我國(guó)

4、各大航運(yùn)企業(yè)船舶上廣泛使用。吊臂是船用起重機(jī)的重要組成部分。它承受著起重機(jī)的各種外載荷，耗鋼量大。隨著起重量的不斷增大，其吊臂的重量也不斷的增大。因此對(duì)船用起重機(jī)吊臂進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及力學(xué)分析是非常必要的，目前國(guó)內(nèi)外廣泛使用有限元法等新的計(jì)算方法，進(jìn)行吊臂的設(shè)計(jì)計(jì)算，大大縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量。本文討論船用起重機(jī)吊臂的優(yōu)化問(wèn)題，為保證優(yōu)化設(shè)計(jì)的可靠性，采用功能強(qiáng)大、技術(shù)非常成熟的大型商用有限元軟件ANSYS，以某船用起重

5、機(jī)企業(yè)生產(chǎn)的某型船用起重機(jī)吊臂為例探討吊臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。1吊臂的計(jì)算工況和受載分析吊臂的計(jì)算工況和受載分析該船用起重機(jī)的最大安全工作負(fù)載為8t，吊臂為箱型結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度為10m，由船用鋼板A32焊接而成，趙九峰等：船用起重機(jī)吊臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)31.3水平載荷=()tan()wG0G??=(8000240)9.8tan(5.56)=807520.2035=16433（N）（3）式中：——船的最大傾角；?——起升貨物在變幅平面內(nèi)的偏斜角；?1.4

6、旋轉(zhuǎn)平面的側(cè)向力=()tan()yTG0G??=(8000240)9.8tan(5.512)=807520.3153=25461(N)（4）式中：——起升貨物在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的偏斜角；?1.5風(fēng)載荷作用在起重機(jī)結(jié)構(gòu)上或單個(gè)構(gòu)件上的風(fēng)力按下式算得：cF]1[=cFCqA=1.7250A=425A(N)（5）式中：——風(fēng)力系數(shù)；C——作用風(fēng)壓；q——構(gòu)件的投影面積(㎡)方向與風(fēng)向垂直；A2加載與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型加載與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型2.

7、1載荷與約束處理吊臂所受的載荷有:吊重、側(cè)載(風(fēng)載荷和偏擺載荷)、起升繩拉力、吊臂自重。吊臂自重由ANSYS自動(dòng)計(jì)算，由于吊臂按實(shí)際工況建模，所以重力直接加載。注意施加的重力加速度方向的反方向才是慣性力的方向。其它載荷(數(shù)值由上一節(jié)算出)按所在位置加載即可。約束處理:基本臂尾部與轉(zhuǎn)臺(tái)鉸接處約束3個(gè)方向平移自由度(、、)和兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)xUyUzU自由度(、)釋放繞銷軸中心回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度()變幅液壓缸鉸點(diǎn)處同樣處理。xRyRzR2.2優(yōu)

8、化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種尋求或確定結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)。所謂“最優(yōu)設(shè)計(jì)”，指的是一種方案可以滿足所有的設(shè)計(jì)要求，而且所需的支出（如重量、面積、體積、應(yīng)力、費(fèi)用等）最小，如本例中的重量最小。最優(yōu)設(shè)計(jì)方案就是一個(gè)最有效率的方案。設(shè)計(jì)方案的任何方面都是可以優(yōu)化的，比如說(shuō)：尺寸（如厚度）、形狀（如過(guò)渡圓角的大?。?、支撐位置、制造費(fèi)用、材料特性等。實(shí)際上，所有可以參數(shù)化的ANSYS選項(xiàng)都可以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。這些參數(shù)統(tǒng)稱為優(yōu)化變量，具體分為