第１１卷第２７期２０１１年９月 科学技术与工程 Ｖｏ１．１１ Ｎｏ．２７ Ｓｅｐ．２０１１ １６７１—１８１５（２０１１）２７—６７７２—０７ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ⑥２０１ １ Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｒｇ． １ ３００ ｔ箱形吊臂起重船起吊系统强度 校核及应力测试分析 汪雅棋沈超明 赵虹谢云平 （江苏科技大学船舶与海洋工程学院，镇江２１２００３） 摘要采用结构分析软件ＭＳＣ／ＮＡＳＴＲＡＮ，对１ ３００ ｔ起重船起吊系统中的吊臂、千斤柱在各种组合载荷工况下的强度进行 了有限元分析。根据实际工况对吊臂、千斤柱危险截面的应力进行了测试与分析，指出了各部分的薄弱环节，并提出了加强 措施。 关键词起重船 有限元分析 吊臂 千斤柱 工况 应力测试 中图法分类号Ｕ６７４．３５； 文献标志码Ａ 起重船作为一种特殊的起重装备，对其工作的 而成，中间设有纵向与横向筋板。吊臂是由宽为 １ ７６０ ｍｍ，厚度为４０ ｍｍ的上、下翼缘板以及宽为 安全性要求是非常高的。这是由于起重船自身的 工作特点决定的［１ ｌ２］。起重船无论是工作状态还是 如过桥这种特殊状态，其总体受力大，局部受力集 ２ ５００ ｍｍ，厚度为３４ ｍｍ的腹板组合。千斤柱是由 宽为２ ３００ ｍｍ，厚度为２０ ｍｍ上、下翼缘板以及宽 中且分布不均匀。因此，对臂架结构、船体结构的 强度要求很高。利用大型结构分析软件对起吊系 为２ ４００ ｍｍ，厚度为２０ ｍｍ的腹板组合；吊臂架总 长是９２ ５６０ ｍｍ；臂架下开档为２０ ３５０ ｍｍ；臂架自 重Ｇ ＝６９３ ｔ（含梯架重）。 主吊架仰角６５。时，主吊钩承载的能力为２× 统进行强度分析，再对理论计算的危险截面进行实 测，并与理论计算值进行比较，能对起重船的实际 工作能力给出有价值的建议。 ６５０ ｔ；副吊钩承载的能力为２×２００ ｔ。起升速度为 ０．０１２ ｍ／ｓ。 １起吊系统有限元分析 １．１起重船主要参数 １．１．１起重船船体主要参数： ２．２计算工况 本船起重设备按《船舶与海上设施起重设备规 范》（２００７）进行校核、计算（以下简称《规范》） Ｊ。 ２．２．１作业系数与起升系数 船体长：８０．０ ｉｎ；型深：６．５ ｉｎ；型宽：３０．０ ｉｎ；设 按《规范》之表３．２．４．１，作业系数 ＝１．０５ （浮式起重机）； 计吃水：４．０ ＩＴＩ；两柱间长：７７．７８ ｉｎ；排水量：８ ４６７ ｔ； 航区：沿海（航行时）、遮蔽（作业时） １．１．２起吊系统主要参数 材料为Ｑ３４５一Ｂ；材料的弹性模量Ｅ＝ ２１０ ＧＰａ。 按《规范》之３．２．５条款，起升系数 ＝１＋ＣＶ； 式中取Ｖ＝０．０１２ ｍ／ｓ，对臂架式起重机取Ｃ＝ ０．３： 所以 ＾＝１＋０．３×０．０１２＝１．００４，实取 ＾＝ １．１０。 吊臂、千斤柱为箱形梁结构，四面为平板拼焊 ２０１１年６月１７日收到 江苏高校优势学科建设工程资助 第一作者简介：汪雅棋（１９５８一），女，实验师，研究方向：力学实验。 ２７期 汪雅棋，等：１ ３００ ｔ箱形吊臂起重船起吊系统强度校核及应力测试分析 ６７７３ ２．２．２组合载荷工况 ２．４起吊系统的有限元计算 ２．４．１有限元分析模型 根据《规范》，属于遮蔽海域起重机类的起重船 吊臂结构的载荷应与一般的起重设备有所区别，需 按特殊工况进行考虑。 根据起吊系统的结构特点，在建立其有限元分 析模型时，采用了２Ｄ平面板单元建模。这些单元 的长度、厚度、截面尺寸、外形尺寸依据设计图中的 实际尺寸决定。吊臂的示意图及吊臂、千斤柱结构 的有限元分析模型如图１一图３所示。 ①结合１３００ Ｔ起重船设计图给出的结构参数和 委托方提供的吊臂运行工况条件，考虑到起吊系统是 左右对称结构，加载时左右倾斜只需考虑一个方向。 ②考虑的各分项载荷为质量载荷、因数载荷、 风载荷、船舶倾斜载荷及起升时的载荷。 ③根据委托方所提供的《起重设备计算书》，对 起吊系统的强度校核应选取安全性较差的工况，经 综合分析后选取以下５种组合载荷工况进行计算， 如表１所示。 ２．３许用应力 ０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０ ｌ１ｌ２ １３ １４ １５ １６ 图１吊臂示意图 按《规范》之３．２．１６．１条款，起吊系统的结构 件许用应力按下式计算。 ｒ １ Ｊ 。 式中委托方提供材料的屈服强度 ＝３３０ ＭＰａ（材 质Ｑ３４５一Ｂ）； 屈强比一ＩＪ￥＝０．７０２（ ６＝４７０—６２０ ＭＰａ，实取 （Ｊ ６ ｙ ６＝４７０ ＭＰａ） 修正系数／３＝１．０，安全系数ｎ选取及许用应力 ［Ｏｖ］见表２。 表２安全系数，ｌ及许用应力（ＭＰａ） 图２ 吊臂有限兀分析模型 ２．４．２坐标系定义和边界条件 取直角坐标系，坐标原点位于船底板后端船体 中心线处，沿船长方向指向船首为 方向，甲板为 ＸＹ平面，沿船高方向为ｚ轴方向。 吊臂有限元模型的边界条件是吊臂与船体相 连的下端取 、ｙ、ｚ位移为零，绕 、ｚ轴转角为零； ６７７６ 科学技术与工程 ｌ１卷 图１２ 吊臂１５。仰角时千斤柱骨材的应力云图 ３起吊系统应力测试分析 ， ］ ３．１测点布置与组桥方案 根据有限元计算分析，我们对外部条件有风 时、主吊钩有负荷的工况进行了测试。经现场勘 察，确定了主吊钩在各工况下的危险截面，并确定 了测试方案。 （１）测试方法及设备。电阻应变测试法；测试 仪器是ＸＬ２１０１Ｂ２型数字静态电阻应变仪；测量导 线为０．５ ｍｍ 的双股绞形铜芯，长度１００ ｍ。 （２）测点布置。由理论计算结果，选定吊臂杆 件中部单元和千斤柱根部单元作为测试对象。考 虑到现场的工作条件，应变片的布置如图ｌ３、图１４ 所示 图１３ 吊臂应变片布置图 图１４千斤柱应变片布置图 ①吊臂。吊臂中部左右各两片（四片对称布 置，编号从左至右依次为１、２、３、４），方向沿其轴线。 ②千斤柱。后立柱和前斜立柱根部左右各一 片（共四片），方向沿其轴线，编号从左至右依次为： 后立柱５、６；前斜立柱７、８。 ③补偿片。根据测试精度的需要，另设一温度 补偿片，其规格和导线长度与测点相同。 ３．２起吊系统应力测试 ３．２．１测试环境与工况 测试时的天气是晴天，风向是东风，风力３～４ 级。测试的实际工况见表５。 表５试验测试的实际工况 ３．３．２测试结果与分析 由于被测构件较大，各测点有一定的距离，各 测点到应变仪用了１００ ｍ的导线连接，长导线电阻 和热输出对测试结果有一定的影响，故测试数据需 要修正。根据计算确定修正系数为１．２。不同工况 下各测点的实测应力应变值见表６。 ２７期 汪雅棋，等：１ ３００ ｔ箱形吊臂起重船起吊系统强度校核及应力测试分析 ６７７７ 表７实测应力值与理论计算值的比较 从表７可以看出，①实测值均小于理论计算值。 按集中力作用考虑，而实际吊臂的重量是沿杆长方 这是因为：第一，理论计算时，主钩荷载除了考虑起 向分布的。此外，该测试值仅为主钩载荷作用引 升系数和作业系数外，还考虑了风、船舶倾斜及回 起，吊臂和吊具的重量对应力值的影响不在测试值 转对载荷的影响。其次，理论计算时，吊臂的重量 内。②吊臂及千斤柱左右实测值有偏差，是由于船 ６７７８ 科学技术与工程 ｌ１卷 舶横倾造成的。 由实测结果可知，吊臂、千斤柱结构强度满足 规范要求，且有一定的强度富余量。吊臂、千斤柱 ４结论 吊臂截面为箱形结构，两端的实际结构已考虑 了局部加强，结构强度较大，该船吊臂主要关心的 应是中间区域的应力分布，因为最大弯矩出现在吊 臂中间区域，并且该区域的结构相对于两端较弱。 由应力云图可知中间部分的应力主要在１８０ ＭＰａ一 ３００ ＭＰａ之间，２｝｝一３＃，７＃－＿８＃，１１＃一１２＃区域出现 危险截面的应力均为压应力，且应力较大，设计时 应考虑增加局部抗压强度。 通过对桁架结构＿６ 和箱形结构起重船起吊系 统强度以及实测应力结果的分析可知，吊臂最大应 力发生在吊臂杆中部，吊臂是以受压为主的双向压 弯构件。千斤柱最大应力发生在斜立柱的下端，是 压应力。所以起重船在吊臂和千斤柱的设计时应 注意这些危险部位的强度设计，针对不同结构采取 不同的增加强度的措施。 参考文献 应力下降。９＃一１０＃区域应力值较大，是由于重力载 荷按集中载荷考虑所致。另外在横撑于腹板相交 的地方出现局部应力集中，应注意相交处的过渡处 理。吊臂上、下翼缘板所承受的弯矩较大，应力比 两侧腹板大，应力较大值主要集中在重心两侧的区 域，因此对重心两侧５米的区域应进行板厚加强。 千斤柱所受的最大应力状态是在吊臂１５。仰角 时，该工况为危险工况，作业时应注意。无论是有 限元分析计算的结果还是实测的数据，都说明起吊 系统最大应力出现在千斤柱前斜立柱的根部，应对 １李家才．大型起重船舶开发的一些技术问题．江苏船舶，２００８；２５ （２）：７—１０ ２孙莉，杨文仲．１ ２００ ｔ起重船的设计分析．江苏船舶，２００３；２３ （６）：２３－－２５ ３中国船级社《船舶与海上设施起重设备规范》．北京：人民交通出 版社，２００７ ４赵清澄，石沅．实验应力分析．北京：科学出版社，１９９１ ５潘少川，刘耀乙．钱浩生实验应力分析．北京：高等教育出版 社，１９９１ 千斤柱结构进行加强，在斜立柱上、下端的最外两 块横隔板之间可均匀增加若干块横隔板，进行局部 加强。 ６汪雅棋，温华兵，沈超明，等．６００ Ｔ起重船起吊系统强度校核及 应力测试分析．起重运输机械，２０１０；（１０）：１９—２３ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｃｈｅｃｋ ａｎｄ Ｓｔｒｅｓｓ Ｔｅｓｔ ｆｏｒ Ｈｏｉｓｔｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ １ ３００ ｔ Ｂｏｘ—ｔｙｐｅ Ｄｅｒｒｉｃｋ Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｃｒａｎｅ ＷＡＮＧ Ｙａ—ｑｉ，ＳＨＥＮ Ｃｈａｏ—ｍｉｎｇ，ＺＨＡＯ Ｈｏｎｇ，Ｘ１Ｅ Ｙｕｎ—ｐｉｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｎａｖａｌ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ＆Ｏｃｅａｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２００３，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ） ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］ Ａｐｐｌｙｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＭＳＣ／ＮＡＳＴＲＡＮ，ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｓ ｄｏｎｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｒｒｉｃｋ ａｎｄ ｈｏｉｓｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｉｎ ｔｈｅ ｈｏｉｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ １ ３００Ｔ ｆｌｏａｔｉｎｇ ｃｒａｎｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉ— ｔｉｏｎｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｌｏａｄｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓｅｓ ｏｆ ｄｅｒｒｉｃｋ ａｎｄ ｔｈｅ ｄａｎｇｅｒ— ＯＵＳ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｈｏｉｓｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｒｅ ｔｅｓｔｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｌｓｏ，ｔｈｅ ｗｅａｋ ｓｅｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｅｖｅｒｙ ｐａｒｔ ａｒｅ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． ［Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ ｆｌｏａｔｉｎｇ ｃｒａｎｅ ｔｉｏｎ ｓｔｒｅｓｓ ｔｅｓｔ ｉｆｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｄｅｒｒｉｃｋ ｈｏｉｓｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉ—
