基于ABAQUS的海工用吊梁優(yōu)化仿真設計

(中集海洋工程研究院有限公司， 山東 煙臺 264670)

基于ABAQUS的海工用吊梁優(yōu)化仿真設計

韓華偉

(中集海洋工程研究院有限公司，山東煙臺264670)

該文基于專業(yè)的有限元分析軟件和行業(yè)內(nèi)設計經(jīng)驗，通過對海工用吊梁的安全性和經(jīng)濟性分析，優(yōu)化了吊梁結(jié)構(gòu)，平衡了吊梁自身重量和起吊能力的關系，為今后吊梁的安全性、經(jīng)濟性設計提供了分析計算流程，具有良好的借鑒意義。

吊梁；失穩(wěn)；慣性釋放

0 引言

隨著海洋工程制造業(yè)的不斷發(fā)展，模塊建造的高效化趨勢越來越明顯，進而產(chǎn)生大量的模塊吊裝作業(yè)需求。在模塊吊裝的作業(yè)過程中，高空作業(yè)受到側(cè)向風、不均勻吊裝等不穩(wěn)定因素的危險性很大，現(xiàn)有的吊梁大多自身重量過大、吊點位置布局不科學而導致吊梁強度和疲勞問題頻現(xiàn)，進而降低了吊裝效率?；诖耍瑢⒌趿簯迷谀K吊裝作業(yè)中，既可以達到平衡吊裝載荷的目的，又可以增加吊裝作業(yè)的范圍，在海洋工程結(jié)構(gòu)建造和合攏作業(yè)中應用廣泛。吊裝能力的高效化一直是模塊吊裝追求的指標，影響吊裝能力指標的主要因素是吊梁強度和吊梁本身的重量，在保證吊梁本身強度的基礎上追求吊梁自身重量的輕量化是目前研究方向的重點。

隨著數(shù)值分析技術(shù)和計算機仿真技術(shù)的迅速發(fā)展，許多工程實際應用問題可以得到有效地解決。該文基于某海工吊裝用300 t吊梁，采用有限元分析技術(shù)和海工規(guī)范經(jīng)驗校核相結(jié)合的方法，采用非線性有限元分析仿真，得到吊梁的整體受力情況，并對吊梁的穩(wěn)定性和總體彎曲強度做了校核，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)和焊接工藝，在實際生產(chǎn)中得到了良好的應用。

1 吊梁優(yōu)化設計的有限元分析

吊梁的受力分布情況和銷軸的分布與實際作業(yè)工況有關，圖1所示為吊梁結(jié)構(gòu)總圖，吊梁的分析既要包括總體的強度校核，還要包括總體穩(wěn)定性和吊點銷軸的校核。結(jié)構(gòu)剛度過大雖然可以保證總體的強度，但是會導致局部的應力過大。因此，該文采用整體有限元分析與局部手工經(jīng)驗公式校核相結(jié)合的方式完成結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計。

圖1 吊梁結(jié)構(gòu)總圖

1.1有限元模型仿真

在ABAQUS里進行前處理并且按照實際工況添加載荷，因為吊裝過程中的載荷不平衡會導致模型產(chǎn)生剛體位移，導致分析無法收斂，為了避免這種情況，滿足該吊裝過程是瞬態(tài)的靜平衡，但是為了模擬真實的吊裝過程，采用的吊點約束很容易導致吊梁的6方向自由度發(fā)生剛體移動，進而導致分析的誤差，吊梁模型如圖2所示。該文采用彈簧模擬鋼絲繩如圖3所示，合理調(diào)整彈簧剛度，增加適量彈性連接的方式分析整個吊裝過程。模塊剛被起升，速度由零開始增加，吊裝分析過程中采用的慣性釋放平衡方程為：

(1)

(2)

采用如上方式，在吊梁的下方設計4個彈簧，在確保該處的支反力不大、不影響分析結(jié)果的前提下校核整個吊梁。

圖2 吊梁模型 圖3 吊梁彈簧仿真

1.2計算結(jié)果后處理

根據(jù)計算結(jié)果，吊梁的總體強度滿足規(guī)范要求，應力較大區(qū)域主要集中在吊點和銷軸附近區(qū)域，該位置區(qū)域的網(wǎng)格在細化到T×T后顯示應力超出許用應力值[1]，常規(guī)做法是在局部區(qū)域做適當?shù)陌宀姆指畈⒓雍?，但是板厚增加導致重量急劇增加，而且應力改善效果并不明顯，局部細化網(wǎng)格如圖4所示。根據(jù)應力分布區(qū)域和變化趨勢，考慮到該處應力超標是由于總體的彎曲強度不足，對吊梁的上下縱向梯形材進行加強優(yōu)化，效果明顯，同時保證了總體強度和局部強度，總體強度分析結(jié)果如圖5所示。

圖4 局部細化網(wǎng)格 圖5 總體強度分析結(jié)果

2 吊梁優(yōu)化設計

2.1失穩(wěn)性能評估

圖6 危險區(qū)域方向應力

失穩(wěn)是指結(jié)構(gòu)不能再承受附加的豎向力，此時結(jié)構(gòu)的抗壓剛度喪失，導致結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。失穩(wěn)從性質(zhì)上可以分為三類：平衡分岔失穩(wěn)、極值點失穩(wěn)和躍越失穩(wěn)。結(jié)構(gòu)的破壞是結(jié)構(gòu)內(nèi)部抵抗力的突然消失，無論該破壞發(fā)生在彈性變形階段還是塑性變形階段，破壞的特征是一致的，而且此種失穩(wěn)破壞發(fā)生的比較突然，一旦發(fā)生失穩(wěn)，機構(gòu)隨即崩潰，其后果往往比結(jié)構(gòu)強度破壞更危險[2]。

該文中提取危險位置的單元方向應力如圖6所示，根據(jù)海工行業(yè)規(guī)范評估板架結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)性能和結(jié)構(gòu)優(yōu)化[3、4]，校核理論基礎見式(3)。

圖7 失穩(wěn)性能校核

(3)

結(jié)果表明結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性沒有問題，可以對結(jié)構(gòu)進行部分優(yōu)化，失穩(wěn)性能校核如圖7所示。

圖8 簡化銷軸結(jié)構(gòu)

2.2銷軸強度評估

銷軸位置的分析需要考慮鋼絲繩和銷軸之間的接觸，該接觸應力的模擬復雜而且耗時，考慮到吊梁的整體分析和局部的經(jīng)驗校核，將兩者之間的接觸用等效鋼絲繩直徑的接觸面來傳遞載荷，提取該位置的受力數(shù)據(jù)進行后處理，經(jīng)過對比，簡化后的處理方式和實際接觸模擬分析差別很小，這樣既節(jié)省了后處理時間，又沒有影響設計，簡化銷軸結(jié)構(gòu)如圖8所示。

載荷分配

T2=T1·sin30°=58.2t

彎曲應力

Wxx=170 138mm3

剪應力

Ax=2 664mm2

壓應力

通過計算可以看出，在對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化后，吊梁的總體結(jié)構(gòu)包括局部關鍵構(gòu)件銷軸的強度滿足彎曲、剪切和壓載的應力要求，在考慮了2%的焊接重量的基礎上，成功的將安全載荷300t吊梁的重量控制在35t以內(nèi)。

3 結(jié)束語

該文采用有限元分析軟件與手工經(jīng)驗校核相結(jié)合的方式，對某300t海工用吊梁進行了仿真分析和優(yōu)化設計，在保證吊梁安全性能的情況下將吊梁的重量降到最輕，同時滿足了現(xiàn)場的高效吊裝需求，并得出如下結(jié)論：

(1) 在吊梁的設計過程中要充分考慮吊梁的實際應用工況，根據(jù)工況優(yōu)化吊點區(qū)域的局部結(jié)構(gòu)，同時大幅減弱非吊點區(qū)域結(jié)構(gòu)來降低吊梁自重；

(2) 吊梁本身存在較大的拉壓應力，需要按照行業(yè)標準進行詳細的屈曲失穩(wěn)校核，避免使用過程中出現(xiàn)沒有超重而由于穩(wěn)性出現(xiàn)安全問題。

[1] 李華,顧強,劉華鋒.基于Ansys Workbench的鋼絲螺套接觸有限元分析[J].制造業(yè)自動化,2012 ,34(19):3-5.

[2] 孫訓方,方孝淑,關來泰.材料力學[M].北京：高等教育出版社,2000.

[3] DNV-RP-C201.Buckling Strength of Plated Structures[S].2010.

[4] DNV-OS-C301.Stability and Watertight Integrity[S].2010.

TheOptimizationDesignofSpreaderBeamSimulationBasedonABAQUS

HAN Hua-wei

(CIMC Offshore Engineering Institute， Shandong Yantai 264670, China)

Based on ABAQUS and design experience, considering the safety and economic design of the spreader beam, a whole design is performed which optimize the structure and balance the self weight and lifting capacity. And give a whole design schedule for the future design.

spreader beam; buckling; quality matrix

2014-03-03

工信部《高效輕量化吊機設計制造關鍵技術(shù)》項目(工信部聯(lián)裝[2011]530號)。

韓華偉(1980-)，男，工程師。

1001-4500(2015)01-0001-04

TP391.7

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