基于有限元的造船门式起重机典型事故仿真

王宝家，殷晨波，马 峰

（南京工业大学 机械与动力工程学院，南京 211800）

0 引言

造船门式起重机广泛应用于船厂安装作业，其额定起重量从几吨到几百吨。造船门式起重机以间歇、重复的工作方式，将重物通过起重吊钩或其他吊具悬挂在承载构件（如钢丝绳、链条等）上进行起升、下降、或升降与运移的机械设备，其最大特点是短周期的循环作业[1,2]。然而造船门式起重机在提高效率，节省人力的同时，也存在着巨大的安全隐患。其中典型的事故工况有超载和碰撞。超载会引起造船门式起重机的整机倾覆；主梁弯曲，主梁下盖板疲劳断裂；钢丝绳断裂，负载坠落。碰撞会是柔性支腿失稳、疲劳断裂，从而导致整机倾覆或倒塌。因此，对于造船门式起重机进行事故再现仿真非常有意义。本文以300t-43mA型双梁造船门式起重机为研究对象，对超载和碰撞进行了模拟仿真，分析了运动过程中各部位力的情况，为造船门式起重机安全操作、研究以及评估提供了技术支持。

1 造船门式起重机的有限元模型

本文以300t-43mA型双梁造船门式起重机为研究对象，它主要由主梁、柔性支腿、刚性支腿、大车、上小车、下小车组成，上跑车和下跑车上装有起升机构和运行机构，将货物吊起后可以沿着主梁上的布置的轨道前后运行。造船门式起重机作业最大空间即上跑车和下跑车运行以及起升机构的升降动作形成立体状态的空间范围。在PRO/E中对起重机进行参数化建模，遵循结构简化原则以及结合部特性参数的融合技术，以便提高有限元计算的精度。然后将三维模型导入到ADAMS中，并进行对模型进行相应的约束以及施加载荷，建立的有限元模型如图1所示。

图1 门机虚拟样机模型

2 事故仿真再现

造船门式起重机的事故众多，如超载实验，风载试验，碰撞试验，坠落试验等，但是基于实际试验难以完成这些事故工况，故采用虚拟实验来完成。表1为典型性的事故工况。

2.1 超载试验

负载满载150t，使用step函数设置负载载荷继续增大，如图2所示，电机驱动力矩随之增大，钢丝绳最终疲劳断裂，利用仿真描述模拟。

表1 造船门式起重机两种典型工况

图2 载荷变化曲线

1）钢丝绳拉力

图3 钢丝绳拉力曲线

由图3得到，在0～4s时，随着负载载荷的不断增大，钢丝绳的拉力也随之增大，在4s时，由于吊重载荷超过了钢丝绳的抗拉强度，钢丝绳最终疲劳断裂，拉力变为0，负载坠落。仿真过程中，钢丝绳拉力的最大值达到1.76×106N，而在满载平稳状态下的拉力为1.47×106N，钢丝绳的动载系数约为1.76/1.47=1.19，这对钢丝绳的合理选用具有一定的参考意义。

2）小车轮接触力

图4 小车轮接触力曲线

由图4得到，在0～4s时，随着负载载荷的不断增大，小车轮接触力也不断增大，在4s时，钢丝绳断裂，小车轮突然卸去了负载产生的接触力，最后在空载稳定的状态下，虽然左右端小车轮与轨道的接触力都大于0，但两端的接触力并不平衡，表明小车有横向倾覆的趋势。

3）大车轮接触力

图5 大车轮接触力曲线

由图5得到，与小车轮情况类似，在0～4s时，负载载荷的不断增大致使大车轮接触力也不断增大，在4s时，钢丝绳断裂，大车轮突然卸去了负载产生的接触力，最后在空载稳定的状态下，前端车轮与轨道的接触力大于后端车轮与轨道的接触力，且均大于0，表明后轮有抬起的趋势，但没有脱离轨道，整机有纵向倾覆的可能性。

通过以上分析说明，由于操作者目测估算设备重量失误，起重机未设置起重量限制器，导致钢丝绳断裂，负载坠落，其危害性极大。因此可采用相应的事故预防措施：提高起重机整体稳定性的设计安全裕度；提高目测估算吊载重量的能力与技巧，力求准确；安装起重量超载限制器。

2.2 负载碰撞柔性支腿试验

本工况造船门式起重机在吊装过程中碰撞到柔性支腿内侧，柔性支腿受到冲击载荷，产生失稳，将负载与柔性支腿施加接触碰撞约束。

1）小车速度

图6 小车速度曲线

由图6得到，当负载未与柔性支腿发生碰撞时，小车基本以额定运行速度（约333mm/s）向柔性支腿端运动，当负载与柔性支腿发生碰撞时，小车受到冲击，速度减小，表明碰撞对整机都有不同程度的影响。

2）碰撞力

图7 碰撞力曲线

由图7得到，当负载与柔性支腿发生碰撞时，碰撞瞬间产生巨大的碰撞力，最大值约为2.57×106N，这对于支腿受冲击时的稳定性分析提供了数据支撑。

3）大车轮接触力

图8 大车轮接触力曲线

由图8得到，随着小车吊重物逐渐向柔性支腿端运动时，柔性支腿端大车轮与轨道的接触力逐渐增大，而刚性支腿端大车轮与轨道的接触力逐渐减小。当负载与柔性支腿碰撞时，柔性支腿端大车轮与轨道的接触力增大到2.13×106N，刚性支腿端大车轮与轨道的接触力减小到3.31×105N，由于碰撞产生的惯性，起重机有横向倾覆的趋势。

通过以上分析说明，由于负载过长，吊点位置不当，没有调整好最佳吊装位置，在吊装过程中，负载沿主梁横向移动，碰撞到支腿内侧，整机有横向倾覆的趋势。因此，对起重机操作人员，必须进行技术和安全培训，使其正确对各种物件进行安全的吊运工作；起重机在吊运长构件时，应采用专用的钓具，防止吊运过程中偏斜、摆动，保证负载在起升下降、左右横行及前后纵行中的稳定性，消除安全隐患。

3 结束语

本文以300t-43mA型双梁造船门式起重机为研究对象，基于Pro/E和ADAMS软件建立了造船门式起重机的有限元模型，并对其进行了超载和碰撞的事故再现仿真，得到了两种典型事故下的大小车接触力，钢丝绳拉力以及负载碰撞柔性支腿的力随时间的变化情况，为造船门式起重机安全操作、研究以及评估提供了技术支持。

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