基于MSC.PATRAN的...0_t起重船起重臂结构建模_孙霞.pdf

第 31 卷 第 2 期2023 年 2 月Vol.31 No.2Feb.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言随着造船技术的快速发展，船舶设计与建造向数字化、信息化方向不断迈进，利用有限元计算方法进行船舶安全性能评估成为常态1。起重臂是起重船上最重要的起重作业装置之一，其可靠性对水上作业安全影响巨大，起重臂结构强度有限元计算对数学模型的建立提出了较高要求2。有限元软件MSC.PATRAN具有强大的前、后处理功能，在各种起重作业工况下，可以方便快捷地对结构建模与分析进行参数化处理3。1 400 t 起重船概况本文以 400 t 起重船起重臂结构为研究对象，基于MSC.PATRAN 有限元软件。分析了该起重臂结构的建模过程。400 t 起重船适用于中国沿海和内河装卸各类集装箱船、货船捎带大型重件或水工构件等的吊装作业，并满足近海航区航行、沿海和港内起重作业4。本船为自航全回转起重船，方驳型船体、雪橇型首尾、钢质、单底、单甲板，尾部设回转起重机，首部布置船员生活舱室和甲板机械集控室等，甲板室以下设有动力舱。本船为全电力驱动船，由主电站柴油发电机组提供交流电源，供主推进装置、首侧推、起重机和全船其他等主要用电设施使用，设岸电联接装置可使用码头绿色环保电源。1.1 起重机基本情况1）起重机参数。本船起重机为自航起重机，设计工作寿命 30 年，整机设计工作级别为 A4。起重机可 360基于MSC.PATRAN 的400 t起重船起重臂结构建模孙 霞，吴志亚（江苏省无锡交通高等职业技术学校，江苏 无锡 214151）摘 要：MSC.PATRAN 有限元软件在结构快速建模方面具有较强的优势。本文通过对 400 t 起重船起重臂的结构特点、作业工况、使用环境以及 MSC.PATRAN 功能特点分析，讨论起重臂建模的方法，能够比较完整地展现该起重臂的立体结构，为进行有限元计算和分析奠定基础。关键词：400 t 起重船；起重臂模型；MSC.PATRAN 软件中图分类号：U674.35 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.02.013引用格式收稿日期：2022-10-25作者简介：孙霞（1987-），女，硕士，讲师，研究方向为船舶与海洋结构物设计制造。旋转，旋转时间约 5 min，旋转作业时，转台任意地方不超过船舷（起重臂除外）。本机设置起重量为 10 t 的索具钩 1 套，起升速度为 25 m/min，1 25 m/min 可调。2）起重机工况。本机在带载情况下实现臂架旋转、俯仰和载荷的升降。本机设有 PLC 装置，可根据需要编程，实现所需的控制方式、联锁方式和安全保护措施。本机设有良好的安全保护装置，当超载、超速和发生其他异常时，可自动停车，并作报警提示。主起升机构、变幅机构，其高、低速轴上都装有高、低速制动系统，对超速、超重都采取适当的保护装置。起重机主要绞车卷筒全部选用 Lebus 型式，钢丝绳采用多层卷绕，绞车尺寸紧凑，维修方便。1.2 起重臂基本情况1）起重臂工况。起重臂架为桁架式组合结构，人字架为框架结构，回转平台采用箱型结构，起升和变幅绞车、回转机构及人字架布置在回转平台上。最小工作幅度时，主钩、副钩均可进行在甲板堆放物品作业。起升机构、变幅机构及回转机构均为交流变频起重电动机驱动和变频调速控制。主起升、副起升、变幅电机选用同一规格电机，变频器亦同规格。2）起重臂参数。主钩和副钩起升、变幅和旋转可同时工作，主副钩间距为 6 8 m，水面上作业最高高度主钩 5 m，最小工作幅度水面下作业高度约 6 m。主钩单独工作时：主钩由 2 个起重量均为 225 t 的吊钩组成；主钩最大起重量为 450 t，速度为 3 m/min，速度调节范围为 0.5 3 m/min；空载速度为 6 m/min；孙霞,吴志亚.基于 MSC.PATRAN 的 400 t 起重船起重臂结构建模 J.船舶物资与市场,2023,31(2):39-41.船舶物资与市场第 31 卷 第 2 期 40 电机功率为 2160=320 kW。副钩单独工作时：副钩是起重量为 100 t 的单钩；副钩最大起重量为 100 t，速度为 6 m/min，速度调节范围约 0.5 6 m/min；空载速度为 12 m/min；电机功率为160 kW。带载变幅工作时：主钩在工作工况下变幅范围为 25 52 m；主钩带载变幅最大起重量为 450 t，幅度范围为 25 30 m；主钩从 52 m 调整到最小工作幅度所用时间约为 5 min；电机功率为 2160=320 kW。带载旋转工作时：主钩旋转最大起重量为 400 t；旋转速度为 0.2 r/min；电机功率为 275=150 kW。当起重幅度为舷外 15 m 时，主钩固定额定起重量为 450 t，回转额定起重量为 400 t，满载作业水面上起升高度为 55 m（吊钩下平面至水面垂直距离）；当起重幅度为舷外 37 m 时，主钩固定起重量为 200 t，回转起重量为 150 t，满载作业水面上起升高度为 40 m；当起重幅度为舷外 40 m 时，起重量按设计时确认。1.3 起重船工作环境起重船需承担多工况、复杂工作环境下的作业任务，环境因素对起重船的作业安全至关重要，在有限元计算中，建模时需对环境因素的影响予以高度重视5。该起重船工作环境如表 1 所示。表 1 起重船工作环境环境因素环境标准大气温度/-10 +40湿度/%95大气压力/MPa0.1风速/(m/s)工作时 20满载时的倾角横倾角 5，纵倾角 2回转作业时不调载非工作风速/(m/s)55航行时的倾角横倾角 20，纵倾 10起吊条件吊重必须按照安全负荷曲线的规定严格进行，超重和超力矩均绝对不允许。起重臂放落在水平位置，并固定于臂架搁架上，各钩子固定于甲板上。2 起重臂建模流程在 MSC.PATRAN 建模过程中，取直角坐标系，坐标原点位于起重臂中线与甲板相交位置，X 轴沿船长方向，Y 轴沿船宽指向左舷为正，Z 轴沿起重臂高度向上为正。2.1 几何建模PATRAN 中 有 2 种 方 法 来 创 建 和 编 辑 几 何，“standard”和“parasolid”。在 PATRAN 主菜单下点Geometry 图标，创建或编辑几何。2.2 网格划分网格划分的具体内容有：1）创建正确的几何；2）参数化或非参数化；3）去掉不必要的特征，例如小倒角；4）指定单元的拓扑关系和尺寸；5）指定网格生成器，例如 Paver；6）指定如何控制网格生成。2.3 材料定义通过 Materials Selector，直接从 MSC.MVISION 材料数据库中获得材料数据。根据不同式况和环境，材料可以定义为温度、应变、应变速率、时间和频率的函数，运用模板可以很方便地定义材料属性。可以用 Manual Input 手工输入(例如：在表格中输入 E,v,)，Materials Selector 材料选择器(从 MSC.Mvision 输入材料数据）和 Externally Defined 外部定义(即只指定材料的名称，通过对应求解器输入文件来输入数据)，方法来定义材料属性。2.4 单元属性用 Element Property 窗口来定义，单元特性和几何相关，在重新划分网格后单元特性会重新分配到新的网格上；定义在几何模型上的属性，当几何被重新划分网格后会自动应用到新的网格上。属性窗口由求解器、单元类型和配置确定。2.5 载荷与边界条件载荷和边界条件和特定的分析代码相关，可以用到几何和有限元上，与几何相关联的载荷和边界条件在几何重新划分网格或编辑等操作后将被赋予新的网格上。场可用来定义载荷或边界条件的变化，从先前的分析中导入结果 FEM 场。3 起重臂快速建模有限元模型需综合考虑计算精度和工作量，考虑到起重臂结构形式和可能出现强度问题的关键节点，有限元模型范围及单元类型需作以下考虑：1）考虑对称性，利用镜像功能实现整体起重臂的有限元建模。2）建模范围从吊臂臂脚到吊臂头部的整个吊臂部分，在变幅钢丝绳和吊臂主付吊连接处设置 MPC 来处理。3）有限元模型的单元类型，底端以及连接的地方以及起重臂顶端采用板壳单元，同时主杆也采用板壳单元，其他部位的杆件均采用梁单元。根据起重臂结构特点、各类工况和工作环境进行综合分析，在对边界条件进行优化的基础上，使用 MSC.PATRAN 生成起重臂整体及各部分结构模型。400 t 起重臂有限元模型共有 7367 个节点，7812 个单元，其中壳单元 7192 个、梁单元 620 个。用软件生成模型后，各部分结构模型如图 1 图 7 所示。第 2 期 41 图 1 起重臂整体模型图 2 起重臂底部有限元模型图 3 起重臂上方主副吊部位有限元模型图 4 起重臂主杆有限元模型图 5 起重臂横杆有限元模型图 6 主杆内部有限元模型图 7 起重臂底部整体有限元模型4 结语MSC.PATRAN 作为大型商用软件，具有广泛的应用领域，尤其在结构件快速建模方面具有很强的优势，为后续的数值计算提供了有效方法。本文运用该软件通过对 400 t 起重船起重臂的设计要求、结构形式、使用条件以及主要参数和性能要求等进行综合分析，根据起重臂的工况和工作环境，结合各部分结构特点进行网格划分、明确单元属性、确定材料属性、优化边界条件，快速、完整、全面地建立了 400 t 起重船起重臂及相关结构的有限元模型，为后续起重臂的结构强度有限元数值模拟奠定了良好基础6。参考文献：1 李辉程.船舶舱口盖强度有限元分析方法与设计优化 J.造船技术,2015(6):58-63.2 薛盼.汽车起重机臂架结构分析与优化设计研究 D.兰州:兰州理工大学,2011.3 何祖平,王德禹.基于 MSC.Patran 二次开发的结构参数化建模及其集成开发环境 J.船海工程,2005(2):17-20.4 许君林.58 m 起重船有限元强度计算 J.中国水运,2020(3):78-80.5 曾汉生,范雅莉.起重机安全评价系统设计与研究 J.科技资讯,2016,14(32):35-36.6 李甲.350 t 自航起重臂建造工艺与设计优化研究 D.上海:上海交通大学,2013.孙霞，等：基于 MSC.PATRAN 的 400 t 起重船起重臂结构建模