基于abaqus碳纖維復(fù)合材料船用起重臂的設(shè)計(jì)

杜雷雨,鄒 強(qiáng),洪 亮

(1.南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 南京 210094;2.海軍工程大學(xué) 兵器學(xué)院, 武漢 430033)

0 引言

船載起重機(jī)是船舶自帶的一種特殊設(shè)備,主要用于船舶之間、船舶與海上平臺(tái)之間和船舶與岸上之間貨物的轉(zhuǎn)移,船在海上工作時(shí)補(bǔ)給等情況。和陸上起重機(jī)不同的是,船載起重機(jī)會(huì)受到風(fēng)、浪、流等影響,在工作時(shí)還受到各種負(fù)面耦合作用,影響起重機(jī)工作的安全性;且海上環(huán)境更為潮濕,空氣中含有多種化學(xué)元素,對(duì)起重機(jī)造成腐蝕,影響起重機(jī)的使用壽命。

針對(duì)船載起重機(jī)的特殊性,全世界學(xué)者做了大量的研究去減小或消除海洋產(chǎn)生的負(fù)面影響。韓廣冬等[1]提出了一種利用套管的剛性約束來(lái)減小吊索的搖擺幅度的新型船用起重機(jī)伸縮套管減搖裝置,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此裝置的可行性和實(shí)用性。陳東等[2]設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線的船用起重機(jī)自動(dòng)定位控制系統(tǒng),通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):和傳統(tǒng)PID控制相比,此系統(tǒng)提高了起重機(jī)的自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間和目標(biāo)定位精度,并可以減少一定的誤差。

碳纖維材料因其良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性,可以進(jìn)行對(duì)傳統(tǒng)鋼制起重機(jī)的替代。但碳纖維材料的價(jià)格相對(duì)于鋼材而言過(guò)高,且目前碳纖維起重臂的研究和應(yīng)用較少。孟進(jìn)軍等[3]介紹了輕質(zhì)材料在工程起重機(jī)中的應(yīng)用,目前碳纖維復(fù)合材料還未在起重機(jī)臂架中有應(yīng)用;章崇任[4]介紹了俄羅斯汽車起重機(jī)起重臂使用碳纖維復(fù)合材料優(yōu)化升級(jí)的成果,升級(jí)后強(qiáng)度增加、更輕量化、可靠性變高;馬澤超等[5]設(shè)計(jì)了一種碳纖維輕木夾芯結(jié)構(gòu)起重臂架,撓度和側(cè)偏均小于鋼制臂架,質(zhì)量減輕了40%。

1 起重臂設(shè)計(jì)

船用起重機(jī)多為可伸縮折疊起重臂,伸縮折疊起重臂相較于傳統(tǒng)起重臂在不工作時(shí)可以大幅減少本就擁擠的甲板空間,且折疊后的起重機(jī)重心降低,可以一定程度地減少船舶航行過(guò)程中的搖擺。伸縮折疊起重機(jī)的最后一節(jié)伸縮臂一端與前一節(jié)伸縮臂固定,另一端與重物連接,為受力最復(fù)雜段,此節(jié)臂最容易發(fā)生斷裂失效。因此,針對(duì)船用起重機(jī)最后一節(jié)伸縮臂進(jìn)行建模分析。

起重臂是起重機(jī)的主要受力部件,在工作時(shí)雙向受彎,海上復(fù)雜的環(huán)境使其受到的橫向剪切力相對(duì)陸地起重機(jī)更大,合理地選擇起重臂的截面可以加強(qiáng)起重機(jī)的抗彎和抗剪能力,優(yōu)化截面在壁厚相同的情況下也可以減輕起重臂的質(zhì)量。伸縮式起重臂截面主要為四邊形、六面形、八面形、U形、梨形、橢圓形等,不同截面有不同的優(yōu)劣:四邊形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛;多邊形截面彌補(bǔ)了四邊形局部失穩(wěn)的缺點(diǎn);橢圓形受力是相對(duì)最理想的截面,U形是經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算后最合理的截面[6-8]。其中:四邊形截面由翼緣板和腹板焊接而成,制造工藝簡(jiǎn)單。但此形狀截面不能充分發(fā)揮高強(qiáng)度材料的能力,不能很好地傳遞扭矩和橫向力;而且在四個(gè)點(diǎn)容易發(fā)生應(yīng)力集中,底板和腹板受較大的壓應(yīng)力,容易造成局部失穩(wěn),在海上復(fù)雜環(huán)境下此缺點(diǎn)更為明顯。

橢圓形截面上彎板為大圓弧槽型板,下彎板為橢圓形槽型板,相較于四邊形截面抗扭性能顯著提升,且擁有獨(dú)特的抗屈曲能力和穩(wěn)定性。但此截面需要側(cè)面支撐,制造工藝復(fù)雜,對(duì)焊接要求較高,目前應(yīng)用較少。

U形截面上彎板為大圓角槽型彎板,下彎板為U形槽型彎板,其橫向抗彎剛度和抗扭剛度優(yōu)于其他形狀截面,上半部拉應(yīng)力較大,提升了側(cè)板的穩(wěn)定性,下底板提高了抗局部失穩(wěn)能力,在連接處有較小的應(yīng)力和應(yīng)力分布,且有效減輕了起重臂的質(zhì)量。

在相同截面積和相同受力情況下,U形截面擁有良好的力學(xué)性能,能最大程度地利用材料的機(jī)械性能,且質(zhì)量較輕[9],綜合考慮選用U形截面。起重臂尺寸圖如圖1所示。

圖1 起重臂尺寸圖Fig.1 Lifting arm dimension diagram

圖2 起重臂碳纖維復(fù)合材料鋪層坐標(biāo)系Fig.2 Frame of hoisting arm carbon fiber composite layer

2 碳纖維材料選擇與鋪層設(shè)計(jì)

碳纖維材料相對(duì)于傳統(tǒng)起重機(jī)所用的鋼材材料具有低密度、高比強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn),尤其在海上潮濕、復(fù)雜的工作環(huán)境中,碳纖維材料的起重臂擁有更好的力學(xué)性能和更長(zhǎng)的使用壽命。對(duì)2種碳纖維材料T-300和T-700進(jìn)行對(duì)比分析,選擇適合本設(shè)計(jì)的碳纖維材料。2種碳纖維材料的性能參數(shù)如表1所示[10-11]。T-700相較于T-300材料含碳量更高,其拉伸強(qiáng)度、拉伸模量和斷裂伸長(zhǎng)率都要優(yōu)于T-300,T-700材料較T-300強(qiáng)度提升30%以上,但T-700材料的模量只是略高于T-300。

表1 T-300和T-700的性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of the T-300 and T-700

碳纖維材料裝置的設(shè)計(jì)要考慮其復(fù)合材料的特性,對(duì)其鋪層角度、鋪層順序、鋪層厚度等進(jìn)行確定。

在實(shí)際的產(chǎn)品鋪層中,0°、±45°和90°最為常見(jiàn),0°鋪層承受軸向載荷,±45°鋪層承受剪切荷載,90°鋪層承受橫向載荷,其他角度的鋪層也能承受剪切載荷,但是效果沒(méi)有±45°好。根據(jù)起重機(jī)的工作環(huán)境,其主要載荷為軸向載荷和側(cè)向風(fēng)載荷,側(cè)向風(fēng)載荷相對(duì)于軸向載荷而言很小,而90°鋪層的抗剪性能較差,在沒(méi)有90°鋪層時(shí)Tasi-Wu系數(shù)較小。因此不采用90°鋪層,采用±45°鋪層對(duì)抗側(cè)向的風(fēng)荷載和剪切載荷。

馬澤超等[5]對(duì)不同厚度碳纖維起重臂進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)隨著壁厚的增加起重臂的撓度和偏移逐步減少,壁厚在15～20 mm時(shí)撓度減少幅度很小,側(cè)偏略有增加。因此,將起重臂的厚度定為18 mm,而每一層T-300和T-700碳纖維布的厚度為0.15 mm,需要鋪120層。

李進(jìn)[12]研究了±45°鋪層數(shù)占總層數(shù)的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)隨著±45°鋪層數(shù)與總層數(shù)比值x的增加,節(jié)臂受到的最大剪切力逐漸減小,但比值x的增加也將導(dǎo)致節(jié)臂末端的撓度增大,在占比為1∶3時(shí)可以兼顧二者達(dá)到最佳。

綜上,本設(shè)計(jì)的碳纖維起重臂不采用90°鋪層?！?5°和0°采用1∶2的比例鋪層,鋪層方案如表2所示。

表2 碳纖維復(fù)合材料鋪層方案Table 2 Carbon fiber composite coating scheme

3 約束和載荷

起重機(jī)在其工作平面內(nèi)主要受力為臂身自重、貨物載荷、繩索拉力、風(fēng)載荷等(圖3),對(duì)這些載荷分別進(jìn)行計(jì)算并添加到模型中,為了計(jì)算方便,對(duì)一些載荷進(jìn)行簡(jiǎn)化和近似處理。

圖3 起重臂受力分析圖Fig.3 Force analysis diagram of lifting arm

1) 對(duì)起重臂這種大型部件來(lái)言,其自身的質(zhì)量不容忽視,需添加重力,對(duì)應(yīng)到Abaqus中為添加Y方向的重力加速度9 800。

2) 起重機(jī)的預(yù)設(shè)吊重為4 t,另外,將起重機(jī)末端重為300 kg的吊裝機(jī)構(gòu)和鋼絲繩簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)換為力并作用在起重臂的末端。通過(guò)模擬分析可知起重臂在海上漂浮時(shí)沿臂方向向內(nèi)的力Fz和垂直臂向下的力Fy分別為40 584.6 N和39 874.2 N。

3) 船用起重機(jī)所受的風(fēng)載荷不能忽視,尤其是在三級(jí)海況下。起重機(jī)在工作時(shí),起重機(jī)的不同面將處于迎風(fēng)狀態(tài),因此無(wú)法準(zhǔn)確施加風(fēng)載荷,而本章節(jié)的目的為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的碳纖維起重臂能否滿足各工況的需求,因此對(duì)起重機(jī)加上最大理論載荷。

查取起重設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)范,風(fēng)載荷表示為

Fc=CqA

(1)

式中:C為風(fēng)力系數(shù),查表取1.55;q為風(fēng)壓,三級(jí)海況時(shí)為0.72～1.85 kg/m2;A為迎風(fēng)面截面積。

4) 起重臂左端與另一節(jié)臂完全固定,在仿真時(shí)簡(jiǎn)化為左端固定約束。

4 結(jié)果分析

4.1 失效分析

復(fù)合材料的強(qiáng)度分析經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展出現(xiàn)各種強(qiáng)度準(zhǔn)則,本設(shè)計(jì)選擇用蔡吳失效系數(shù)作為判斷標(biāo)準(zhǔn),對(duì)復(fù)合材料的每一層進(jìn)行失效分析,蔡吳失效的表達(dá)準(zhǔn)則為

(2)

式中:F11、F22、F1、F2、F12、F66為應(yīng)力空間的強(qiáng)度參數(shù)。當(dāng)強(qiáng)度比大于1時(shí),表示材料失效,小于1時(shí)為未失效,且值越小則表示安全性越好。

對(duì)T-300、T-700兩種材料的起重臂進(jìn)行有限元分析,得到2種材料每一層的T-W系數(shù)如圖4所示。從圖4中可以看出,2種材料起重臂每一層的最大T-W系數(shù)都遠(yuǎn)小于1,說(shuō)明在此工況下各層都未發(fā)生失效,且安全容量很高。此外,2種材料都為120層,T-300碳纖維起重臂相對(duì)于T-700碳纖維起重臂在相同層的T-W系數(shù)都較高,說(shuō)明T-700碳纖維起重臂的安全性更好。另外,可以看出T-300起重臂0°鋪層的最大T-W系數(shù)要大于45°鋪層; T-700起重臂在前50層0°鋪層的最大T-W系數(shù)要大于45°鋪層,之后便反了過(guò)來(lái)。2種起重臂隨著鋪層層數(shù)的增加,45°鋪層最大T-W系數(shù)的增長(zhǎng)速度比45°鋪層快,而T-700的首層最大T-W系數(shù)數(shù)值較小,所以會(huì)出現(xiàn)上述現(xiàn)象。其中,T-300碳纖維起重臂T-W系數(shù)最大值在120層為0.239 7,T-700碳纖維起重臂T-W系數(shù)最大值在120層為0.160 9。圖5、圖6分別為T-300和T-700最大T-W系數(shù)仿真結(jié)果圖。

圖4 T-300和T-700碳纖維鋪層層數(shù)與T-W系數(shù)Fig.4 Layer number and T-W coefficient of T-300 and T-700 carbon fibers

圖5 T-300第120層T-W系數(shù)Fig.5 T-300 the 120th layer T-W coefficient

圖6 T-700第119層T-W系數(shù)Fig.6 T-W coefficient of the 119th layer of T-700

4.2 撓度分析

傳統(tǒng)鋼制起重機(jī)多采用HG785作為起重臂材料,對(duì)于小的起升質(zhì)量,臂架厚度多為5 mm和8 mm,本章分別對(duì)5 mm和8 mm的HG785材料起重臂進(jìn)行仿真,對(duì)比分析鋼制起重臂和碳纖維起重臂的變形。起重臂在各種力的作用下會(huì)發(fā)生變形,但變形必須在一定的范圍內(nèi),不能超過(guò)規(guī)定的許用撓度極限。起重機(jī)臂的變形與臂長(zhǎng)的關(guān)系為[13]

Fl≤0.1(LC/100)2

(3)

式中:Fl為起重臂末端軸線方向的靜位移;LC為起重臂總長(zhǎng)度。設(shè)計(jì)的起重臂長(zhǎng)為3 000 mm,代入式(3)可知,起重臂撓度極限為90 mm。

圖7—圖10為T-300和T-700兩種材料在軸線方向的位移圖?？梢钥闯?T-300、T-700碳纖維起重臂在重力方向的位移分別為23.24 mm和22.05 mm,HG785起重臂壁厚分別為5 mm和8 mm時(shí)在重力方向的位移分別為43.22 mm和25.94 mm,每種材料起重臂在10個(gè)工況下的撓度都小于撓度極限,經(jīng)過(guò)對(duì)比,每種工況下T-700起重臂的撓度最小,T-300起重臂次之,隨后為8 mm的HG785起重臂,5 mm的HG785起重臂最大,說(shuō)明碳纖維材料起重臂的抗彎曲能力較傳統(tǒng)鋼鐵材料有一定的提升,其中,HG785材料起重臂的抗彎曲能力與其厚度成正比關(guān)系。

圖7 T-300軸向方向位移圖Fig.7 T-300 axial displacement diagram

圖8 T-700軸向方向位移圖Fig.8 T-700 axial displacement diagram

圖9 HG785 (5 mm)軸向方向位移圖Fig.9 HG785 (5 mm) axial displacement diagram

圖10 HG785 (8 mm)軸向方向位移圖Fig.10 HG785 (8 mm) axial displacement diagram

總的來(lái)看,T-300起重臂較5 mm和8 mm的HG785起重臂抗彎性能分別提高了46.2%和10.4%;T-700起重臂較5 mm和8 mm的HG785起重臂抗彎性能分別提高了49.0%和15.0%; T-700起重臂抗彎性能較T-300提高了5.1%。

另外,T-300碳纖維起重臂相對(duì)于壁厚5 mm和8 mm的HG785起重臂質(zhì)量分別減輕了49.5%和18.4%;T-300碳纖維起重臂相對(duì)于壁厚5 mm和8 mm的HG785起重臂質(zhì)量分別減輕了46.5%和13.6%。由此可以看出,碳纖維起重臂相比鋼制起重臂質(zhì)量減輕的同時(shí)有更高的穩(wěn)定性和安全性。

4.3 應(yīng)力分析

碳纖維起重臂的應(yīng)力分布是造成T-W系數(shù)分布的直接原因,其單層的應(yīng)力分布規(guī)律和T-W系數(shù)分布一致,在此不對(duì)其單層應(yīng)力分布做過(guò)多陳述,提取2種材料起重臂在XY平面的沿軸長(zhǎng)方向的應(yīng)力S11,如圖11所示,對(duì)比分析起重臂在截面上的應(yīng)力規(guī)律[14-15]。

圖11 起重臂XY截面圖Fig.11 XY cross section of the boom

2種材料起重臂采用同一尺寸網(wǎng)格,從右側(cè)中間的單元沿順時(shí)針記錄截面一周每一個(gè)單元的應(yīng)力,得到的2種材料起重臂在XY截面的應(yīng)力如圖12所示?？梢钥闯?起重臂在只受X方向應(yīng)力時(shí)側(cè)面的應(yīng)力都較小,在側(cè)面中間位置的應(yīng)力甚至接近于0;U型截面下方主要受壓應(yīng)力,其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致底部U型結(jié)構(gòu)呈對(duì)稱分布,越靠近中間部位應(yīng)力越大;而主要受拉應(yīng)力的上板受力在靠近右端的過(guò)程小范圍變大;上板的2個(gè)圓角處受力較上板大一些,但因其圓角結(jié)構(gòu)使其應(yīng)力小于最大應(yīng)力。另外,碳纖維起重臂的在上板和圓角處的應(yīng)力變化較小,整體力的過(guò)渡較HG785起重臂更為平緩。

圖12 2種材料起重臂在XY截面應(yīng)力曲線Fig.12 Stress curves of the two materials boom in XY section

5 結(jié)論

在本文中設(shè)計(jì)了2種碳纖維復(fù)合材料起重臂,并運(yùn)用Abaqus軟件對(duì)2種起重臂進(jìn)行失效、撓度和截面應(yīng)力分析,記錄仿真時(shí)每一層的T-W系數(shù)、整體位移和截面各單元的應(yīng)力,結(jié)果表明:

1) T-300和T-700碳纖維起重臂在海上工況下均未失效,二者的安全容量很高;且二者在此工況下的撓度也很接近,對(duì)比HG785起重臂有明顯的提升,其輕量化更好;2種碳纖維材料出現(xiàn)上述結(jié)果是因?yàn)橛绊懯У臑槟Ａ繀?shù),T-700模量要遠(yuǎn)大于T-300,影響撓度的為強(qiáng)度參數(shù),2種材料的強(qiáng)度參數(shù)相近。而T-700的成本又高于T-300,選擇材料時(shí)要綜合考慮。

2) U型截面的上下板面受力最大,且其受力基本沿對(duì)稱軸對(duì)稱分布,碳纖維材料的受力相較于HG785起重臂受力更小,力過(guò)渡更為平緩。該研究結(jié)果對(duì)后續(xù)碳纖維起重臂的設(shè)計(jì)和碳纖維起重臂的運(yùn)動(dòng)分析提供了參考。