两吨甲板起重机吊臂变形分析

段铁群 王全福 高希雪

摘 要：根据起重机的实际工作状况，运用相关力学原理对起重机处于两种不同的工作状态时进行吊臂挠曲变形的理论推导，并用Solidworks建模，ANSYS做有限元分析进行变形趋势的分析，最后得到在起重机吊臂达到屈服前，两种极限工况下起重机吊臂变形与起升质量成线性关系的结论。

关键词：甲板起重机；挠曲变形；有限元分析

引言

折叠臂式甲板起重机的吊臂、油缸的受力分析，吊臂端部在某种特定载荷下的下沉量已有前人研究过[1-3]。吊臂产生过大的变形，将会导致起重机失稳，严重影响起重机正常使用。

1 工作原理与工况

1.1工作原理。起重机的基本结构如图1所示。起重机固定在船甲板上，起吊重物时，重物悬挂在伸缩臂二4端部的吊钩上，在液压油缸作用下，折叠臂1和基本臂2实现升起，然后通过起重机的回转，将重物移动到合适位置后，将重物放下，完成作业。

1.2 工况。本文研究伸缩臂处于完全伸出和完全缩回两种极限工况：当伸缩臂全部缩回时为工况一，额定起重量为2吨；当伸缩臂完全伸出时为工况二，额定起重量为500kg。

2 起重機外载荷计算

起重机所外受载荷包括三部分：外界动载荷（风载荷忽略不计）、起吊重量、惯性载荷。船舶因波浪影响产生的运动可简化为正弦扰动，用Y=Hsin（ωt+θ）表示，起重机起吊重物时受力简图如图2所示。

3 吊臂变形理论计算

3.1 工况一吊臂变形。吊臂EG受力分析如图3所示，边界条件为：在E、F点变形为零，F点变形的一阶导数为零。

根据材料力学相关知识可得吊臂G点在y方向变形方程为

吊臂BE的受力分析如图4所示，边界条件为B、C、D点变形为零，C、D两点变形的一阶导数为零。

3.2 工况二吊臂变形。起重机受力分析如图5所示，其中EG段为基本臂，GH段为伸缩臂一，HJ段为伸缩臂二。将两节伸缩臂视为一个变截面悬伸梁，求其受载荷后，点J的变形量。

由式（4）和（6）可知，在变幅角度一定时，吊臂变形只与起重量以及外界动载荷以及起升加速度有关。加速度与变幅角度恒定的情况下，吊臂变形与起重机载荷呈线性关系。起重量、变幅角度相同时，变形与加速度成线性关系与正弦关系的叠加。

4 建模与有限元分析

4.1 建模。根据设计方案，用Solidworks软件建立起重机的各个零件模型，装配完成后保存文件并导出为IGS格式文件。

4.2 有限元分析。将起重机的IGS文件导入；材料选用结构钢，屈服强度定义为700MPa，弹性模量210GPa，泊松比0.3；各接触面定义为bonded，网格划分采用中等精度划分；载荷视为点载荷，施加于吊钩内表面的中心上；最后选定分析项，选择求解器求解。

4.3 应力分析结果。工况一中起重量为额定起重量时吊臂最大应力为631.51MPa。

4.4 吊臂变形分析结果。工况一中额定起重量时吊臂变形分析结果如图6所示。立柱处变形值最小，离立柱越远，值越大，最大值为70.017mm ，吊臂达到屈服状态时吊臂的最大变形为77.634mm。

同样可分析得到工况二额定起重量最大变形为124.67mm。 吊臂达到屈服状态时吊臂的最大变形为167.2mm。

5 结果与分析

将工况一φ=0°时各不同起重量经有限元分析得到的变形结果进行拟合，拟合结果如图7所示。

由图7可知，起重量在所取范围内，变幅角度和臂长不变时，吊臂变形与起重量呈线性关系，与前面的理论推导相吻合，工况二分析与工况一类似，在此不再赘述。

工况一、工况二中额定起重量时吊臂变形分别为70.017mm、124.67mm，都在线性范围内，此时吊臂处于弹性变形阶段，卸载后吊臂可恢复原形，因此，起重机工作时一直处于弹性变形范围内，不会出现塑性变形，起重机工作可靠，该起重机设计合理。

6 结束语

本文通过对该起重机在吊臂水平并且伸缩臂不伸出和全部伸出的两种工况进行了吊臂变形的理论计算，得出了两种工况下变幅角度恒定的条件下，起重量与吊臂变形成线性关系的结论，验证了起重机设计的合理性。

参考文献

[1]王乐有，王进强，才冬涛.基于ADAMS的折臂式随车起重机受力计算[J].起重运输机械，2011，07：33-34

[2]龚苏生，徐长生，张成凤.基于VB的折臂式船用甲板起重机变幅计算系统[J].重型机械，2009：46-49.

[3]程茂林，徐长生.基于有限元分析法的折臂式船用甲板起重机垂直设计系数计算[J].武汉：船海工程，2010：140-145.