船用起重机吊臂的优化设计

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1、赵九峰等：船用起重机吊臂的优化设计船用起重机吊臂的优化设计赵九峰1，苗明21.中国特种设备检测研究院，北京1000132.大连理工大学机械工程学院，辽宁大连116024摘要：针对船用起重机的吊臂,传统的设计方法通常采用应力校核,或按照材料力学,结构力学进行大量简化基础上的计算方法,通常得到一个可行的,但不是最优的设计方案。本论文根据应力和刚度的分布情况来确定变截面吊臂结构，以ANSYS软件为工具，详细介绍了船用起重机吊臂的有限元分析过程，包括实体建模、载荷和约束的处理；并对船用起重机吊臂进行了优化设计。为设计人员提出合理建议，以满足设计要求，得出

2、的结论为船用起重机吊臂的设计提供了可靠的依据。关键词：吊臂；船用起重机；变截面；有限元分析；优化设计中图分类号：TH218文献标识码：A0引言船用起重机俗称克令吊（crane）。船上起重设备很长时期使用吊杆装置，但在20世纪40年代已开始在一些船上采用起重机，二次大战后才逐步推广使用，到60年代初期，随着船舶停港时间缩短和加快装卸速度，从而出现了结构紧凑、操作简便可靠和起重能力大的起重机，致使起重机在船上得到广泛采用。船用起重机是船舶上的主要起重设备，在国内外有广泛的市场，运用现代设计方法，提高船用起重机的性能，具有较大的经济效益。其结构示意图如

3、图1所示。图1船用起重机结构示意简图Fig.1Thestructureschematicofshipcrane船用液压起重机,是船上普遍使用的一种装卸货设备,它具有起重能力大、操纵方便、耐冲击、制动性能好、安全可靠、装卸货物效率高与对货物的适用性好等特点,在我国各大航运企业船舶上广泛使用。吊臂是船用起重机的重要组成部分。它承受着起重机的各种外载荷，耗钢量大。随着起重量的不断增大，其吊臂的重量也不断的增大。因此对船用起重机吊臂进行合理的结构设计及力学分析是非常必要的，目前国内外广泛使用有限元法等新的计算方法，进行吊臂的设计计算，大大缩短了设计周期，

4、提高了设计水平和质量。本文讨论船用起重机吊臂的优化问题，为保证优化设计的可靠性，采用功能强大、技术非常成熟的大型商用有限元软件ANSYS，以某船用起重机企业生产的某型船用起重机吊臂为例探讨吊臂的优化设计方法。1吊臂的计算工况和受载分析该船用起重机的最大安全工作负载为8t，吊臂为箱型结构，长度为10m，由船用钢板A32焊接而成，作者简介：赵九峰(1981-)，男，助理工程师，硕士，河南平顶山人，主要从事结构仿真与载荷响应研究。-7-赵九峰等：船用起重机吊臂的优化设计导师：苗明，办公电话：0411-84709830，Email：miaom@163.c

5、om。钢板的厚度分为8mm、10mm、12mm三种。吊臂滑轮组的倍率=4。船用起重机应考虑船舶横倾5°、纵倾2°的情况下，能安全而有效的作业。因此选择工况为0°下，进行起重机强度和刚度检验。风压为250N/㎡。吊臂所受载荷包括自重、起升载荷以及由于起重机的起升运行、船舶倾斜所产生的载荷、荷重摆动所产生的载荷及风载。根据吊臂的受力特点及工作情况，将吊臂上的载荷分解为在变幅平面内的载荷和旋转平面内的载荷。吊臂在变幅平面内的载荷如图2所示。图2吊臂载荷图Fig.2Loadmapoftheboom1.1钢丝绳上的静拉力===22136(N)（1）式中：—

6、—提升载荷；——吊钩重力；——倍率；——滑轮组效率——导向滑轮效率；1.2垂直载荷=(+)=(+)(1+)=(8000+240)×9.8×1.05×(1+0.3×0.33)=93268.6(N)（2）式中：——作业系数；——起升系数；——起重机刚度系数；——起升速度；由于模拟吊臂自重时，采用ANSYS自动计算,故计算垂直载荷时此处不计算。1.3水平载荷=(+)tan(+)-7-赵九峰等：船用起重机吊臂的优化设计=(8000+240)×9.8×tan(5.5°+6°)=80752×0.2035=16433（N）（3）式中：——船的最大倾角；——起升

7、货物在变幅平面内的偏斜角；1.4旋转平面的侧向力=(+)tan(+)=(8000+240)×9.8×tan(5.5°+12°)=80752×0.3153=25461(N)（4）式中：——起升货物在旋转平面内的偏斜角；1.5风载荷作用在起重机结构上或单个构件上的风力按下式算得：==1.7×250×=425A(N)（5）式中：——风力系数；——作用风压；——构件的投影面积(㎡),方向与风向垂直；2加载与结构优化设计数学模型2.1载荷与约束处理吊臂所受的载荷有:吊重、侧载(风载荷和偏摆载荷)、起升绳拉力、吊臂自重。吊臂自重由ANSYS自动计算，由于吊臂

8、按实际工况建模，所以重力直接加载。注意施加的重力加速度方向的反方向才是惯性力的方向。其它载荷(数值由上一节算出)按所在位置加载即可。约束