李耀成

摘 要：本文通过运用ANSYS有限元软件，对某大型浮式起重机支承圆筒结构进行有限元计算分析的同时，运用两种计算方法计算支承圆筒结构强度，一种是根据浮式起重机整机回转部分有限元计算提供的滚轮支反力及中心轴枢支反力施加在支承圆筒结构上来计算结构应力;一种是将整个浮式起重机整机回转部分（含起重量）看作是一个质量单元，即刚性滚轮假设法，通过质量单元与支承圆筒结构耦合生成刚性区域来计算结构应力。各种危险工况下两种计算方法分析支承圆筒结构的强度、稳定性均满足要求，因此得出结论：支承圆筒结构的两种计算方法是可行的。为同类型大型浮式起重机的支承圆筒设计计算提供参考。

关键词：支承圆筒;有限元;浮式起重机

中图分类号：U653.921           文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）08-0155-03

1引言

随着海洋工程服务的迅猛发展，大型浮式起重机海上安装作业应用需求越来越多，尤其是海上风力发电安装的飞速发展，各种大吨位的浮式起重机也大量出现在海洋工程领域，拥有自重轻、幅度大、起升高度高的大型浮式起重机成为海洋工程服务领域企业竞争的优势。大型浮式起重机中，金属结构重量往往占到起重机总重的60%以上，而作为连接浮式起重机回转部分与船体甲板面的重要部件支承圆筒，其强度至关重要，并与起重机整机性能、重量、使用性能等重要参数密切相关，因此支承圆筒的设计计算显得尤为重要。

2 1600t全回转浮式起重机主要参数及支承圆筒结构

1600t全回转浮式起重机主要参数如表1所示。1600t全回转浮式起重机采用滚子式回转支承装置。回转部分支承在滚子上，滚子在圆弧轨道上滚动，回转部分重量通过滚子、轨道传递到支承圆筒上;水平力主要由支承圆筒小圆筒与转台小圓筒连接的回转支承及水平轮承受。

3 支承圆筒计算（根据有限元计算提供的滚轮压力方法）

3.1 有限元模型建立

根据支承圆筒结构受力特点，对模型采取适当简化，将双排滚轮作用载荷简化成单排滚轮载荷施加在轨道上，忽略回转中心轴枢偏斜导致一部分水平力由滚轮承受（啃轨）产生的水平作用力影响，不计支承圆筒的制造误差和、钢板的厚度偏差、轨道不平度及滚轮直径的制造偏差，不考虑支承滚轮载荷作用在轨道上产生的变形对对接结构受力的影响，所有钢板用shell63单元模拟，集中质量采用MASS21单元模拟，滚轮采用link8单元，根据结构实际重量，对各部件材料密度进行适当调整以达到与实际情况相符，建立结构有限元模型，如图1所示。

该模型坐标系：坐标原点为支承圆筒回转中心与船体甲板面交点，X轴方向为配重指向人字架的臂架下铰点，Y轴方向为垂直人字架的侧面指向内侧，Z轴方向为垂直向上。

支承圆筒与船体甲板面采用焊接方式连接，因此约束全部自由度： Ux，Uy，Uz，Rx，Ry，Rz。

3.2计算工况

不同于一般的起重机械，1600t全回转浮式起重机在海上作业时分为固定起吊作业及回转起吊作业，考虑到作业需求，计算工况如下：

工况1：70°幅度，主钩固定吊1600t+60t+80t，起升钢丝绳外摆角为2°，风速20m/s，风沿臂架根部向头部水平方向吹;

工况2：70°幅度，主钩固定吊1600t+60t+80t，起升钢丝绳侧摆角为2°，风速20m/s，风沿垂直于臂架平面方向向里吹;

工况3：70°幅度，主钩回转吊1000t+60t+80t， 起升钢丝绳外摆角为3°，风速20m/s，风沿臂架根部向头部水平方向吹;

工况4：70°幅度，主钩回转吊1000t+60t+80t，起升钢丝绳侧摆角为3°，风速20m/s，风沿垂直于臂架平面方向向里吹;

工况5：70°幅度，主钩固定吊1600t+60t+80t，无风，起升钢丝绳外摆角为2°;

工况6：70°幅度，主钩固定吊1600t+60t+80t，无风，起升钢丝绳侧摆角为2°;

工况7： 70°幅度，副钩回转吊200t+5t， 起升钢丝绳外摆角为3°，风速20m/s，风沿臂架根部向头部水平方向吹;

工况8： 70°幅度，副钩回转吊200t+5t，起升钢丝绳侧摆角为3°，风速20m/s，风沿垂直于臂架平面方向向里吹;

工况9： 垂直于甲板的加速度为±1.0g;前后方向平行于甲板的加速度为±0.5g;静横倾30°;风速55m/s，作用于前后方向。

工况10：垂直于甲板的加速度为±1.0g;横向垂直于甲板的加速度为±0.5g;静横倾30°;风速55m/s，作用于横向。

3.3施加载荷

3.3.1垂直载荷

垂直载荷根据转台结构有限元计算提供的各工况下滚轮的垂直力Fv以集中载荷形式加载在支承圆筒的轨道上。

3.3.2水平载荷

主钩固定吊1600t货物偏摆力：F1H=1600×tan2°=55.88t

主钩回转吊1000t货物偏摆力：F1H=800×tan3°=52.41t

副钩回转吊200t货物偏摆力：F1H=200×tan2°=6.98t

副钩回转吊200t货物偏摆力：F1H=200×tan3°=10.48t

FW1——工作状态风载荷;FW2——非工作状态最大风载荷。

3.3.3结构自重

采用ANSYS软件内部的惯性载荷加载方式自动计入，考虑作业系数ψd=1.05，扶梯平台系数1.005，焊缝重系数1.01，惯性载荷加速度az=gz ×ψd=9.8×1.05×1.005×1.01=10.44m/s2。

各工况下施加载荷如表2所示。

3.4计算结果分析

支承圆筒结构采用的材料为Q345，许用应力见表3。

无风工况安全系数n=1.43，其他工况安全系数n=1.33[1][2]。

根据有限元计算结果，得到支承圆筒在各工况下的最大应力如下：

有风工作状态及非工作状态最大应力出现在工况2，最大应力为156.306MPa<251.9MPa，满足强度设计要求。

无风工作状态最大应力出现在工况6，最大应力为155.979MPa<223.3MPa，满足强度设计要求。

4 支承圆筒计算（滚轮刚性假设法）

先将浮式起重机回转部分及货重的重心找出，然后在重心处建立一个质量相等的质量单元，因此可考虑将质量单元与回转滚轮生成刚性区域。这里假设滚轮具有足够的强度及刚性，不会被压溃[3]，建立结构有限元模型如下所示：

由前面可知有风工作工况2的应力最大，因此仅计算工况2的应力，计算结果如图5所示。最大应力为201.592MPa<251.9MPa，满足强度设计要求。

5 结语

由以上分析可知，通过运用ANSYS有限元软件对支承圆筒进行结构有限元分析计算是可行的，通过运用两种方法计算各种危险工况下的支承圆筒强度均满足要求。采用滚轮刚性假设法算出来的结构应力比根据回转上部分提供的滚轮支反力载荷计算应力要大，因此这种计算方法偏于保守，但是这两种计算方法都是可行的，为以后同类型的大型浮式起重机支承圆筒设计计算提供了参考，最后通过实际使用，也验证了支承圆筒计算的实用性。

参考文献：

[1]中国船级社.船舶与海上设施起重设备规范[Z].

[2] GB/T 3811-2008，起重机设计规范[S].

[3] 徐克晋.金属结构[M].北京：机械工业出版社，1982.