基于有限元法港口起重机起重臂静力学分析

曾国源

（福建省特种设备检验研究院，福建泉州 362000）

0 引言

港口起重机具有便利、灵活和使用范围广等特点，已成为大型港口必备的装卸设备。目前国内外的起重机设计生产商及研究所，对起重机关键的性能参数的设计能力和制造工艺较以前提高显著，正朝着重型化、模块化、参数化和智能化，以及稳定性、可靠性、高效率、经济性方向发展[1-2]。

为保证港口起重机的可靠运行，提高使用率，延长设备使用寿命，对潜在的生产安全隐患进行预防，减少设备维护费用，需要通过理论分析计算掌握其静态性能，才能提出并实施设计优化改进方案和后期的使用维护措施。

由于过载、裂纹、疲劳与锈蚀等原因，港口起重机引发的各种故障，可能降低或丧失其预先设计的功能和作用。因此，需要深入分析起重机的静力学性能，寻找到最大的危险受力部位，消除潜在的安全隐患，保证其安全稳定可靠地运行，要对这类复杂的结构件实施监测不仅耗时长，且有可能无法真正检测到安全隐患部位。为解决这类问题，本文采用ANSYS（有限元分析软件）先对其3D结构模型进行理论受力分析，求解出理论上的结构危险受力部位，再对这些潜在危险部位采用应力、磁记忆等无损检测工艺方法，最终找到缺陷部件进行安全预防。

1 起重机结构模型和简化

1.1 港口起重机基本结构

某型号港口起重机结构如图1所示，其中：塔身（塔架）为圆形截面的钢结构，内部焊接大量的加强作用的角钢，支撑着起重机上部结构的全部重量，并将其转至底架、台车和轨道基础；门架横梁、行走机构、门梁、转台均采用不同厚度的钢板焊接；臂架主梁由不同截面的圆钢管焊接，头部及支座由不同厚度的钢板焊接[3]。

1.2 起重臂模型简化

由于港口起重臂空间结构比较复杂，因此建立一个有效且合理的有限元模型对求解计算是很有必要的，对其进行3D建模时不能将所有因素都考虑，忽略其结构阻尼，不考虑非线性关系和过渡圆角。对该港口起重臂进行了如下的假设和简化：

（1） 港口起重臂3D模型根据图纸尺寸创建，简化其加强筋和肋板等局部结构；

（2）建立起重臂架3D模型时，忽略处理钢丝绳、螺栓、铰轴等微小特征结构；

（3） 采用密度补偿法处理人字梯结构的重力均匀分布于臂架；

（4） 模型受力应与其在工作时外载荷作用下相同，吊杆、拉杆机构、变幅机构、配重、起升机构、小车和吊钩以集中力的方式加载到相关节点；

（5） 模型的边界条件处理应与其实际工作时保持一致，分析计算载荷时，只考虑起重机臂架能承受的常规和偶然载荷，不考虑特殊载荷的影响。

2 臂架结构模型建立及施加载荷

根据港口起重机的工作特性建立起重臂的笛卡尔坐标系，臂架结构只绕Z轴旋转，X轴指向臂架起吊端，臂架的对称平面为XOY和XOZ面，起升及变幅钢丝绳拉力、起吊载荷设置在XOY面。

起重机臂架结构主要采用梁杆单元和板壳单元构建有限元3D模型。由圆形钢管焊接的变幅齿条和臂架结构，采用梁单元Beam188来建模，Beam188在每个节点上默认有6个自由度。臂架支座，变幅支座及起升支座由钢板焊接，采用弹性壳单元Shell63建模，Shell63壳单元既具有弯曲能力又具有膜力，可以承受平面内荷载和法向荷载[4-6]。配重采用MASS21单元建模。

为避免具有不同结点自由度的梁单元和板壳单元的联接问题，采用均有6个自由度的Shell63、Beam188单元来建模分析，因此可共用节点。在模型中，通过共用节点来实现构件间的紧固连接。根据起重臂架图纸提供的尺寸创建有限元模型，划分网格如图2所示。

图2 起重臂架有限元网格模型

起重机的转台上安装有铰轴系统与臂架人字架组合支座，起重机在运行过程可绕铰轴旋转以实现起重机的变幅，通过约束铰轴的3个方向的移动自由度以及绕X方向和绕Y方向的旋转自由度来分析加载边界条件。

起重机的臂架为实现变幅，先通过变幅机构带动钢丝绳，斜拉杆与塔身结构的联接、平衡臂架和两根斜拉杆的联接、平衡臂架的臂腿与塔身结构回转部位的转接均为固定铰联接。在起重机的臂架变幅支座位置建立铰轴联接，再从铰轴中心到人字架铰轴创建杆梁结构，从而分析起重机的加载受力形变情况，约束人字架铰轴位置的X、Y、Z三个方向的移动自由度以及绕X和Y方向的旋转自由度，以简化变幅钢丝绳对臂架的约束条件。

考虑自重影响的情况下（重力加速度g=9.8 m/s2），以起重机的臂架幅角为38.5°分析计算，提升负载的质量为42 t，对臂架结构进行加载受力形变分析，再根据几何关系求出铰轴联接的坐标位置点为：（17 034.7，14 258.5）mm，将提升负载沿臂架方向和垂直臂架方向受力分解，可得：FX=372 528.4 N，FY=313 735.6 N；考虑动载时，应乘以动载系数φ2，即：FX=436 296.3 N，FY=378 676.4 N。

3 臂架结构的有限元计算结果及分析

由ANSYS有限元软件求解可得，该起重机臂架结构X、Y和Z向的变形总位移如图3所示。

图3 起重臂架变形总位移图

由图可知，起重臂架由于受到加在臂架末端载荷的作用，最大位移点出现在臂架末端，最大位移值为203.1 mm，整机有向前倾的趋势。依据文献[7-8]对臂架类起重机的设计准则，静绕度的设计推荐经验公式为W=（1/200～1/250）R，R为臂架幅度。若R=70 m，则臂架的静绕度安全范围为280～350 mm，故其静绕度满足设计和使用要求。

图4所示为起重臂架结构的Von mises等效应力云图，可知材质为球铁Q345的臂架其最大应力为235 MPa＜[σ]=340 MPa，故该臂架的结构强度满足设计强度要求。

图4 起重臂架Von mises等效应力图

图5 起重臂架局部Von mises等效应力图

对起重臂架的局部结构进行详细应力分析，图5（a）所示位置1出现最大应力，其有向重物倾斜的趋势，与实际情况相符，建模时用梁单元来模拟臂架主梁和缀杆，由于臂架末端承受的弯矩较大，故在臂架末端位置的应力较大，从而导致了此位置出现应力集中现象，实际钢板和主梁、加强杆是一体焊接，会较大改善受力情况。另外在图5（c）所示位置3局部应力相对较大，约为180 MPa，其余位置应力均在135 MPa以下，有变幅钢绳的约束加强作用，臂架变幅支座位置出现局部应力相对较大，设计制造过程中应采取局部加强措施。而图5（b）、（d）所示位置2和4主要原因是由于其臂架受力部位的高度增高，应力会相对集中。由于有外部加强约束作用，对整体结构的安全性影响处于可接受的范围内。在起吊负载的重量作用下，若腹杆间的焊缝开裂失去承载能力，会引起臂杆内力突然增大和重新分布，致使杆件因过载而失稳。当负载重量超过使这些杆件失稳弯折的临界值后，则起重臂受力的有效截面会逐渐减小，该吊臂最终将会弯曲折断。

由分析可知，起重臂在设计优化时，将静定结构改为超静定结构，即使某一根腹杆失稳破坏，其内力将进行重分布，不至于立即发生弯折破坏。起重机生产厂家应加强焊接质量控制与检查，出厂前进行探伤检验，若发现有裂纹需重新施焊。起重机在使用时应进行定期检查和维修，发现油漆剥落和金属材料锈蚀，应查明原因。各种细小裂纹是钢结构杆件应力状态渐变的先兆，必须立刻采取措施，如果主要受力构件腐蚀超标应提出停止使用，报备处理报告。

4 结束语

港口起重机臂由于过载、裂纹、疲劳与锈蚀等原因所引发的潜在安全隐患，可能导致港口起重机的不能可靠运行。本文对港口起重机的起重臂结构进行有限元三维建模，分析了起重臂的静力学特性，模拟计算起重臂在起吊负载过程的受力，得到臂架的变形量、应力值及其分布趋势，可为检测人员对在役的港口起重机需要监测的重点部位和后期的使用维护提供依据，并为设计单位的后续改进优化提供了方向指导。