基于ABAQUS的海工用吊梁优化仿真设计

(中集海洋工程研究院有限公司， 山东 烟台 264670)

基于ABAQUS的海工用吊梁优化仿真设计

韩华伟

(中集海洋工程研究院有限公司，山东烟台264670)

该文基于专业的有限元分析软件和行业内设计经验，通过对海工用吊梁的安全性和经济性分析，优化了吊梁结构，平衡了吊梁自身重量和起吊能力的关系，为今后吊梁的安全性、经济性设计提供了分析计算流程，具有良好的借鉴意义。

吊梁；失稳；惯性释放

0 引言

随着海洋工程制造业的不断发展，模块建造的高效化趋势越来越明显，进而产生大量的模块吊装作业需求。在模块吊装的作业过程中，高空作业受到侧向风、不均匀吊装等不稳定因素的危险性很大，现有的吊梁大多自身重量过大、吊点位置布局不科学而导致吊梁强度和疲劳问题频现，进而降低了吊装效率。基于此，将吊梁应用在模块吊装作业中，既可以达到平衡吊装载荷的目的，又可以增加吊装作业的范围，在海洋工程结构建造和合拢作业中应用广泛。吊装能力的高效化一直是模块吊装追求的指标，影响吊装能力指标的主要因素是吊梁强度和吊梁本身的重量，在保证吊梁本身强度的基础上追求吊梁自身重量的轻量化是目前研究方向的重点。

随着数值分析技术和计算机仿真技术的迅速发展，许多工程实际应用问题可以得到有效地解决。该文基于某海工吊装用300 t吊梁，采用有限元分析技术和海工规范经验校核相结合的方法，采用非线性有限元分析仿真，得到吊梁的整体受力情况，并对吊梁的稳定性和总体弯曲强度做了校核，优化了结构和焊接工艺，在实际生产中得到了良好的应用。

1 吊梁优化设计的有限元分析

吊梁的受力分布情况和销轴的分布与实际作业工况有关，图1所示为吊梁结构总图，吊梁的分析既要包括总体的强度校核，还要包括总体稳定性和吊点销轴的校核。结构刚度过大虽然可以保证总体的强度，但是会导致局部的应力过大。因此，该文采用整体有限元分析与局部手工经验公式校核相结合的方式完成结构的优化设计。

图1 吊梁结构总图

1.1有限元模型仿真

在ABAQUS里进行前处理并且按照实际工况添加载荷，因为吊装过程中的载荷不平衡会导致模型产生刚体位移，导致分析无法收敛，为了避免这种情况，满足该吊装过程是瞬态的静平衡，但是为了模拟真实的吊装过程，采用的吊点约束很容易导致吊梁的6方向自由度发生刚体移动，进而导致分析的误差，吊梁模型如图2所示。该文采用弹簧模拟钢丝绳如图3所示，合理调整弹簧刚度，增加适量弹性连接的方式分析整个吊装过程。模块刚被起升，速度由零开始增加，吊装分析过程中采用的惯性释放平衡方程为：

(1)

(2)

采用如上方式，在吊梁的下方设计4个弹簧，在确保该处的支反力不大、不影响分析结果的前提下校核整个吊梁。

图2 吊梁模型 图3 吊梁弹簧仿真

1.2计算结果后处理

根据计算结果，吊梁的总体强度满足规范要求，应力较大区域主要集中在吊点和销轴附近区域，该位置区域的网格在细化到T×T后显示应力超出许用应力值[1]，常规做法是在局部区域做适当的板材分割并加厚，但是板厚增加导致重量急剧增加，而且应力改善效果并不明显，局部细化网格如图4所示。根据应力分布区域和变化趋势，考虑到该处应力超标是由于总体的弯曲强度不足，对吊梁的上下纵向梯形材进行加强优化，效果明显，同时保证了总体强度和局部强度，总体强度分析结果如图5所示。

图4 局部细化网格 图5 总体强度分析结果

2 吊梁优化设计

2.1失稳性能评估

图6 危险区域方向应力

失稳是指结构不能再承受附加的竖向力，此时结构的抗压刚度丧失，导致结构发生破坏。失稳从性质上可以分为三类：平衡分岔失稳、极值点失稳和跃越失稳。结构的破坏是结构内部抵抗力的突然消失，无论该破坏发生在弹性变形阶段还是塑性变形阶段，破坏的特征是一致的，而且此种失稳破坏发生的比较突然，一旦发生失稳，机构随即崩溃，其后果往往比结构强度破坏更危险[2]。

该文中提取危险位置的单元方向应力如图6所示，根据海工行业规范评估板架结构的失稳性能和结构优化[3、4]，校核理论基础见式(3)。

图7 失稳性能校核

(3)

结果表明结构稳定性没有问题，可以对结构进行部分优化，失稳性能校核如图7所示。

图8 简化销轴结构

2.2销轴强度评估

销轴位置的分析需要考虑钢丝绳和销轴之间的接触，该接触应力的模拟复杂而且耗时，考虑到吊梁的整体分析和局部的经验校核，将两者之间的接触用等效钢丝绳直径的接触面来传递载荷，提取该位置的受力数据进行后处理，经过对比，简化后的处理方式和实际接触模拟分析差别很小，这样既节省了后处理时间，又没有影响设计，简化销轴结构如图8所示。

载荷分配

T2=T1·sin30°=58.2t

弯曲应力

Wxx=170 138mm3

剪应力

Ax=2 664mm2

压应力

通过计算可以看出，在对结构进行优化后，吊梁的总体结构包括局部关键构件销轴的强度满足弯曲、剪切和压载的应力要求，在考虑了2%的焊接重量的基础上，成功的将安全载荷300t吊梁的重量控制在35t以内。

3 结束语

该文采用有限元分析软件与手工经验校核相结合的方式，对某300t海工用吊梁进行了仿真分析和优化设计，在保证吊梁安全性能的情况下将吊梁的重量降到最轻，同时满足了现场的高效吊装需求，并得出如下结论：

(1) 在吊梁的设计过程中要充分考虑吊梁的实际应用工况，根据工况优化吊点区域的局部结构，同时大幅减弱非吊点区域结构来降低吊梁自重；

(2) 吊梁本身存在较大的拉压应力，需要按照行业标准进行详细的屈曲失稳校核，避免使用过程中出现没有超重而由于稳性出现安全问题。

[1] 李华,顾强,刘华锋.基于Ansys Workbench的钢丝螺套接触有限元分析[J].制造业自动化,2012 ,34(19):3-5.

[2] 孙训方,方孝淑,关来泰.材料力学[M].北京：高等教育出版社,2000.

[3] DNV-RP-C201.Buckling Strength of Plated Structures[S].2010.

[4] DNV-OS-C301.Stability and Watertight Integrity[S].2010.

TheOptimizationDesignofSpreaderBeamSimulationBasedonABAQUS

HAN Hua-wei

(CIMC Offshore Engineering Institute， Shandong Yantai 264670, China)

Based on ABAQUS and design experience, considering the safety and economic design of the spreader beam, a whole design is performed which optimize the structure and balance the self weight and lifting capacity. And give a whole design schedule for the future design.

spreader beam; buckling; quality matrix

2014-03-03

工信部《高效轻量化吊机设计制造关键技术》项目(工信部联装[2011]530号)。

韩华伟(1980-)，男，工程师。

1001-4500(2015)01-0001-04

TP391.7

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