船用起重機(jī)吊臂的優(yōu)化設(shè)計

1、船用起重機(jī)吊臂的優(yōu)化設(shè)計趙九峰1，苗明21.中國特種設(shè)備檢測研究院，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：針對船用起重機(jī)的吊臂傳統(tǒng)的設(shè)計方法通常采用應(yīng)力校核或按照材料力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)進(jìn)行大量簡化基礎(chǔ)上的計算方法通常得到一個可行的但不是最優(yōu)的設(shè)計方案。本論文根據(jù)應(yīng)力和剛度的分布情況來確定變截面吊臂結(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程，包括實體建模、載荷和約束的處理；并對船用起

2、重機(jī)吊臂進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。為設(shè)計人員提出合理建議，以滿足設(shè)計要求，得出的結(jié)論為船用起重機(jī)吊臂的設(shè)計提供了可靠的依據(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)計中圖分類號：TH218文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A0引言引言船用起重機(jī)俗稱克令吊（crane）。船上起重設(shè)備很長時期使用吊桿裝置，但在20世紀(jì)40年代已開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，在國內(nèi)外有廣泛的市場，運用現(xiàn)代設(shè)計方法，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、制動性能好、安全可靠、裝卸貨物效率高與對貨物的適用性好等特點在我國

4、各大航運企業(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。因此對船用起重機(jī)吊臂進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計及力學(xué)分析是非常必要的，目前國內(nèi)外廣泛使用有限元法等新的計算方法，進(jìn)行吊臂的設(shè)計計算，大大縮短了設(shè)計周期，提高了設(shè)計水平和質(zhì)量。本文討論船用起重機(jī)吊臂的優(yōu)化問題，為保證優(yōu)化設(shè)計的可靠性，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)計方法。1吊臂的計算工況和受載分析吊臂的計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)計數(shù)學(xué)模型加載與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計數(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自動計算，由于吊臂按實際工況建模，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)臺鉸接處約束3個方向平移自由度(、、)和兩個方向的轉(zhuǎn)動xUyUzU自由度(、)釋放繞銷軸中心回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動自由度()變幅液壓缸鉸點處同樣處理。xRyRzR2.2優(yōu)

8、化設(shè)計數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是一種尋求或確定結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計方案的技術(shù)。所謂“最優(yōu)設(shè)計”，指的是一種方案可以滿足所有的設(shè)計要求，而且所需的支出（如重量、面積、體積、應(yīng)力、費用等）最小，如本例中的重量最小。最優(yōu)設(shè)計方案就是一個最有效率的方案。設(shè)計方案的任何方面都是可以優(yōu)化的，比如說：尺寸（如厚度）、形狀（如過渡圓角的大?。⒅挝恢?、制造費用、材料特性等。實際上，所有可以參數(shù)化的ANSYS選項都可以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。這些參數(shù)統(tǒng)稱為優(yōu)化變量，具體分為