船用起重機(jī)吊臂優(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(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(shí)體建模、載荷和約束的處理；并對船用起重機(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

2、機(jī)；變截面；有限元分析；優(yōu)化設(shè)計(jì) 中圖分類號：TH218 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A0 引言船用起重機(jī)俗稱克令吊（crane）。船上起重設(shè)備很長時(shí)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(shí)間縮短和加快裝卸速度，從而出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡便可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(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)示意簡圖Fig.1 The structure schematic of shi

3、p crane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貨物的適用性好等特點(diǎn),在我國各大航運(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

4、用起重機(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，作者簡介：趙九峰(1981-)，男，助理工程師，碩士，河南平頂山人，主要從事結(jié)構(gòu)仿真與載荷響應(yīng)研究。導(dǎo)師：苗明，辦公電話：0，Email：。鋼板的厚度分為8mm、10mm、12mm三種。吊臂滑輪組的倍率=4。船用起重機(jī)應(yīng)考慮船舶橫傾5°、縱傾2°的情況下，能安全而有效的作業(yè)。因此選擇工況為0°下，進(jìn)行起重機(jī)強(qiáng)度和剛度檢驗(yàn)。風(fēng)壓為250N/。吊臂所受載荷包括自重、起升載荷以及由于起重

5、機(jī)的起升運(yùn)行、船舶傾斜所產(chǎn)生的載荷、荷重?cái)[動(dòng)所產(chǎn)生的載荷及風(fēng)載。根據(jù)吊臂的受力特點(diǎn)及工作情況，將吊臂上的載荷分解為在變幅平面內(nèi)的載荷和旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的載荷。吊臂在變幅平面內(nèi)的載荷如圖2所示。圖2 吊臂載荷圖Fig.2 Load map of the boom1.1 鋼絲繩上的靜拉力= = =22136(N) （1）式中： 提升載荷；吊鉤重力； 倍率； 滑輪組效率 導(dǎo)向滑輪效率；1.2 垂直載荷=(+)=( +)(1+)=( 8000+240)×9.8×1.05×(1+0.3×0.33)= 93268.6 (N ) （2）式中： 作業(yè)系數(shù)；起升系數(shù)；起重機(jī)剛度

6、系數(shù)；起升速度；由于模擬吊臂自重時(shí)，采用ANSYS自動(dòng)計(jì)算,故計(jì)算垂直載荷時(shí)此處不計(jì)算。1.3 水平載荷=(+)tan( +)=(8000+240)×9.8×tan(5.5°+6°)=80752×0.2035=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 旋轉(zhuǎn)平面的側(cè)向力= (+)tan(+)= (8000+240)×9.8×tan(5.5°+12°)=80752×0.3153=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)

7、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：=1.7×250×=425A (N ) （5）式中： 風(fēng)力系數(shù)；作用風(fēng)壓；構(gòu)件的投影面積(),方向與風(fēng)向垂直；2 加載與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型2.1 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)自由度(、),釋放繞銷軸中心回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度(

8、),變幅液壓缸鉸點(diǎn)處同樣處理。2.2 優(yōu)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：尺寸（如厚度）、形狀（如過渡圓角的大?。?、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，具體分為設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)。2.2.1 設(shè)計(jì)變量設(shè)計(jì)變量是在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行選擇，并且最終必須確定的各項(xiàng)獨(dú)立參數(shù)，優(yōu)化結(jié)

9、果的取得是通過改變設(shè)計(jì)變量的值來實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)設(shè)計(jì)變量都有上下限，它定義了設(shè)計(jì)變量的變化范圍。作為吊臂來說，總希望在不發(fā)生局部失穩(wěn)的前提下，板厚設(shè)計(jì)的薄一些，截面尺寸大一點(diǎn)，但是受到鋼板厚度和吊臂整體尺寸的限制，只能在一定范圍內(nèi)取值。因此，選擇合理截面尺寸以及加強(qiáng)板的尺寸，是減輕吊臂自重的重要途徑。在建立吊臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型時(shí)，可將吊臂的寬、高、板厚和加強(qiáng)板的長度作為設(shè)計(jì)變量。吊臂尾部的寬為B1，高為H1，吊臂頭部的寬為B2，高為H2，吊臂側(cè)板厚為K1,上板厚為K2,下板厚為K3，如圖3。由設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可知,最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在吊臂下底板受壓處,因此在受壓處焊接加強(qiáng)板,板厚為K4,板的長度為L，如

10、圖4。 圖3 吊臂截面示意圖 圖4 加強(qiáng)板示意圖Fig.3 The diagram of Boom-section Fig.4 The diagram of strengthen board 2.2.2 狀態(tài)變量狀態(tài)變量通常是控制設(shè)計(jì)的因變量數(shù)值，是設(shè)計(jì)變量的函數(shù)，在ANSYS 中，這種函數(shù)關(guān)系不是顯式的，對狀態(tài)變量的約束構(gòu)成了約束方程。對于吊臂設(shè)計(jì)而言，以控制吊臂的應(yīng)力，臂端的變幅平面位移和旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的位移為目的?？刂茟?yīng)力和位移的大小，使吊臂滿足強(qiáng)度和剛度的要求。板單元的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果包括單元各節(jié)點(diǎn)及參考點(diǎn)上的(、)及等。本文采用位于單元高斯點(diǎn)的應(yīng)力值進(jìn)行應(yīng)力結(jié)果分析。設(shè)某一點(diǎn)的應(yīng)力結(jié)果為(、

11、),則Von Mises相當(dāng)應(yīng)力按下式計(jì)算:= （6）許用應(yīng)力按船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范(2001)選取,即：= （7）式中： 鋼材的屈服強(qiáng)度；系數(shù),根據(jù)鋼材的屈強(qiáng)比確定安全系數(shù)；按照上述船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范(2001),該船用起重機(jī)計(jì)算中為1,為1.33。因該船用起重機(jī)的鋼板為屈服強(qiáng)度是315MPa的A32船用鋼板,故起重機(jī)吊臂的許用應(yīng)力為236.8MPa。另外，根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),臂端在吊重平面內(nèi)的靜位移應(yīng)不大于×10(cm), 臂端側(cè)向靜位移應(yīng)不大于7×10(cm),其中為臂長(cm),由此計(jì)算得在變幅平面內(nèi),臂端的靜位移不大于100mm。旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)，側(cè)向靜位

12、移不大于70mm。2.2.3 目標(biāo)函數(shù)目標(biāo)函數(shù)是設(shè)計(jì)所追求指標(biāo)的數(shù)學(xué)反映，它應(yīng)能用來評價(jià)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，同時(shí)必須是設(shè)計(jì)變量的可計(jì)算函數(shù)。在ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)中，只允許有一個(gè)目標(biāo)函數(shù)，即單目標(biāo)優(yōu)化。本優(yōu)化以減少臂重為目標(biāo)，因重量與體積成正比(假定密度是均勻的)，那么減小總體積就相當(dāng)于減小總重量。因此可以選擇總體積為目標(biāo)函數(shù)。 綜上所述，得到基本臂優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型（單位：）：min Volume（） K1,K2,K3,K4,B1,B2,H1,H2,L Subject to 吊重平面內(nèi) ，100, （8） 8K112，8K212, 8K312，8K412， 200B1800，100B2400, 200H

13、1800，100H2400， 0L1000min Volume（） K1,K2,K3,K4,B1,B2,H1,H2,L Subject to 旋轉(zhuǎn)平面內(nèi) ,70, （9） 8K112，8K212, 8K312，8K412， 200B1800，100B2400, 200H1800，100H2400， 0L10003 優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)是ANSYS的高級分析技術(shù)，ANSYS程序提供了一系列的分析-評估-修正的循環(huán)過程對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。對初始設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，對分析結(jié)果就設(shè)計(jì)要求進(jìn)行評估，然后對設(shè)計(jì)進(jìn)行修正。重復(fù)執(zhí)行這一循環(huán)過程直到所有設(shè)計(jì)都滿足要求，得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。整個(gè)過程用ANSYS自帶

14、的優(yōu)化模塊來實(shí)現(xiàn)，采用較精確的一階優(yōu)化方法（First Order）求解。對于含有設(shè)計(jì)變量和狀態(tài)變量的約束優(yōu)化問題，ANSYS先用懲罰函數(shù)法（SUMT）將其轉(zhuǎn)化為無約束優(yōu)化問題。ANSYS中有兩種優(yōu)化方法可供選擇：零階方法（Zero Order）和一階方法。零階方法屬于直接法，它是通過調(diào)整設(shè)計(jì)變量的值，采用曲線擬合的方法去逼近狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)。一階方法是間接方法，它使用狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)對設(shè)計(jì)變量的偏導(dǎo)數(shù)，在每次迭代中計(jì)算梯度確定搜索方向，因而精度較高。建立好參數(shù)化模型后,進(jìn)入優(yōu)化處理器（OPT），指定分析文件，聲名優(yōu)化變量,選擇一階優(yōu)化方法，系統(tǒng)由這個(gè)文件自動(dòng)生成優(yōu)化循環(huán)文件，并在優(yōu)化計(jì)算

15、中循環(huán)處理，在進(jìn)行了迭代優(yōu)化計(jì)算后，得到最終的優(yōu)化結(jié)果。吊臂各參數(shù)的初始值如表1，先在吊臂旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)對吊臂進(jìn)行優(yōu)化，最后在變幅平面內(nèi)進(jìn)行驗(yàn)證，吊臂的強(qiáng)度和剛度是否滿足要求。由于板厚只能從三個(gè)數(shù)據(jù)中選擇，長度取整數(shù)，因此應(yīng)該對每次的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行修正。同時(shí)采取控制變量的方法，逐步確定各個(gè)變量的大小。第一次優(yōu)化，對所有變量進(jìn)行優(yōu)化，由表1中的優(yōu)化結(jié)果可知,優(yōu)化的板厚與10mm非常接近，因此對臂厚進(jìn)行修正，取所提供的鋼板厚度10mm。這樣，第一次優(yōu)化后確定了板的厚度。第一次優(yōu)化及修正后，應(yīng)力云圖如圖5。計(jì)算結(jié)果表明，吊臂的強(qiáng)度和剛度雖然滿足要求，但修正后的解不一定是最優(yōu)解，接著進(jìn)行第二次優(yōu)化，這次對吊

16、臂的寬、高和加強(qiáng)板的長度進(jìn)行優(yōu)化。對優(yōu)化結(jié)果再次修正，確定吊臂的寬和高。第二次修正后，應(yīng)力云圖如圖6。吊臂的強(qiáng)度不能滿足要求。接著進(jìn)行最后一次優(yōu)化，優(yōu)化加強(qiáng)板的長度，使吊臂滿足強(qiáng)度和剛度的要求。最后一次修正后，在吊臂旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)，吊臂的強(qiáng)度和剛度滿足了設(shè)計(jì)的要求，得出了吊臂體積的最優(yōu)解，此時(shí)吊臂的應(yīng)力云圖如圖7所示。最后，在變幅平面內(nèi)，對吊臂進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如表1所示，結(jié)果表明，在變幅平面內(nèi)，應(yīng)力和位移均滿足要求，應(yīng)力云圖如圖8所示。整個(gè)優(yōu)化過程的數(shù)據(jù)如表1所示。表1 吊臂優(yōu)化結(jié)果Tab.1 Optimal results of the boom項(xiàng)目優(yōu)化前第一次優(yōu)化第一次修正第二次優(yōu)化第二次修

17、正第三次優(yōu)化第三次修正吊重平面驗(yàn)證B1()442455.96456446.61447447447447H1()584632.17633631.11631631631631B2()204207.63208209.88210210210210H2()292298.50299288.12288288288288K1()1210.002101010101010K2()1210.005101010101010K3()1210.007101010101010K4()1210.038101010101010L()500425.57426499.46499502.57503503應(yīng)力(MPa)229.7236

18、.48232.65235.17240.91236.66236.61170.53體積(m³)0.24960.22000.22450.22220.22220.22220.22220.2222位移()42.9547.62547.05848.55348.56348.54248.5485.012 圖5 船用起重機(jī)吊臂的應(yīng)力云圖（修正1） 圖6 船用起重機(jī)吊臂的應(yīng)力云圖（修正2） Fig.5 Von-misses of boom of ship crane (Amendment 1) Fig.6 Von-misses of boom of ship crane (Amendment 2) 圖7

19、船用起重機(jī)吊臂的應(yīng)力云圖（修正3） 圖8 船用起重機(jī)吊臂的應(yīng)力云圖（驗(yàn)證） Fig.7 Von-misses of boom of ship crane (Amendment 3) Fig.8 Von-misses of boom of ship crane (Authentication)可見經(jīng)過優(yōu)化后,吊臂的重量明顯減少（減少11%），且強(qiáng)度和剛度性能仍滿足要求。4 結(jié)論針對某船用起重機(jī)吊臂輕量化為主要目標(biāo)的優(yōu)化要求，在有限元軟件ANSYS中建立了吊臂結(jié)構(gòu)的有限元模型和優(yōu)化模型，應(yīng)用ANSYS自帶的優(yōu)化模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明：(1)本文采用ANSYS 分析法對船用起重機(jī)的吊臂結(jié)構(gòu)在滿足

20、變形及應(yīng)力約束條件下進(jìn)行體積最小的優(yōu)化設(shè)計(jì),得出了吊臂合理的形狀尺寸和截面尺寸,節(jié)省了大量工程材料。 (2)通過本文對船用起重機(jī)吊臂的仿真設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者可在起重機(jī)吊臂研制出來之前對吊臂應(yīng)力和變形有一個(gè)較為準(zhǔn)確的了解。本文的特點(diǎn)是運(yùn)用有限元軟件ANSYS，對該船用起重機(jī)吊臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。ANSYS是設(shè)計(jì)中有效簡便的工具，極大地縮短了設(shè)計(jì)周期和設(shè)計(jì)成本，對于提高設(shè)計(jì)能力有現(xiàn)實(shí)意義。參 考 文 獻(xiàn)1 中國船級社.船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范M.北京:人民交通出版社,2001.2 王金諾,于蘭峰.起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)M.北京:中國鐵道出版社,2002.3 楊長睽. 起重機(jī)械M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19

21、82.4 GB712-2000,船體用結(jié)構(gòu)鋼S.5 GB3811-83,起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范S.6 石永鐸.起重運(yùn)輸機(jī)械概論M.大連:大連理工大學(xué)出版社,1994. 7 張朝暉. ANSYS 11.0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.8 高耀東,郭喜平. ANSYS機(jī)械工程應(yīng)用25例M.北京:電子工業(yè)出版社,2007.9 博弈創(chuàng)作室.APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用事例M.北京:中國水利水電出版社,2004.Optimal Design of Boom of Ship CraneZHAO Jiu-feng, MIAO Ming, Li Yi-qin, Qi Yan-yan (School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology. Dalian 116024. China)Abstract: Aiming at the boom of ship crane, the traditional design method usually adopts stress check, or the simplified calculating method based on the material mecha