带缺陷造船门式起重机的有限元分析

倪幼虎，马峰

(江苏省特种设备安全监督检验研究院 宜兴分院， 江苏 宜兴 214200)

0 引言

造船门式起重机因其在大型船舶、海洋作业平台分段安装运输中的显著优势，已成为我国船舶、海工产品制造行业吊装作业的主要工艺装备[1-2]。然而，造船门式起重机在制造、安装特别是使用过程中可能会产生裂纹、变形、连接缺陷、腐蚀和磨损等结构缺陷，其中裂纹是金属结构的最主要故障，其主要形式是裂纹扩展，金属结构易疲劳断裂，易造成起重机的安全事故，因此对在役起重机带缺陷结构件的研究具有重要的现实意义[3-4]。本文采用数值分析法，以某工厂300 t/43mA型双梁造船门式起重机带裂纹缺陷的柔性支腿为研究对象，建立了柔性支腿的裂纹缺陷模型，进行了柔性支腿无缺陷模型和带缺陷模型的静强度分析及模态分析，为造船门式起重机安全检测评价提供依据。

1 缺陷模型

根据金属材料疲劳裂纹的扩展规律和行为，在柔性支腿处定义25mm×200mm的横向裂纹，建立了其裂纹缺陷模型[5]，如图1所示。

图1 柔性支腿裂纹缺陷模型

2 静强度分析

选用柔性支腿危险工况，上小车加载200 t重物，下小车加载100 t重物，两小车相距12 m,求解得到柔性支腿上的支反力是F=2.75×106N。将柔性支腿划分为SHELL单元，用Quard4来模拟薄板结构，并根据板件的实际厚度定义与之相对应的SHELL单元的厚度，并对几何形状较复杂的区域采用了三角形单元离散，以充分利用三角形单元适应性强的优点，对裂纹处进行网格细化。柔性支腿的无缺陷模型和带缺陷模型的应力应变变化情况如图2所示。

图2 不同模型的应力应变云图

带缺陷和无缺陷的有限元计算结果如表1所示。带裂纹缺陷的最大应力值为166 MPa，大于无缺陷时的最大应力值，虽然小于金属结构的许用应力值240 MPa，仍满足静强度要求。但柔性支腿横向裂纹缺陷处易产生应力集中，属结构危险部位，柔性支腿很有可能疲劳开裂，引发起重机事故危害。

3 模态分析

对缺陷模型进行模态分析，求解固有频率和振型，与所受外载无关，故可忽略外力的作用。由于高频振动幅度小，对结构的动力响应影响有限，因而选用造船门式起重机柔性支腿带缺陷和无缺陷有限元模型的前阶模态进行求解，对模型的模态振型的变化规律进行对比分析，其对应的前六阶模态振型如图3和图4所示，前六阶固有频率见表2。

图3 无缺陷模态振型图

图4 带缺陷模态振型图

模型一阶固有频率二阶固有频率三阶固有频率四阶固有频率五阶固有频率六阶固有频率无缺陷1.068 74.218 75.852 46.563 26.676 512.425 4带缺陷1.069 14.168 25.987 66.582 26.674 512.132 1

由表2得到，柔性支腿的固有频率随着有无缺陷而变化，越靠近裂纹缺陷处，固有频率变化越大。通过比较得到的结果为，当造船门式起重机柔性支腿出现裂纹等缺陷时，原固有频率会改变，在实际运行时有可能引起局部的共振，产生事故，因此要避免与激振频率相近。

4 结语

建立了柔性支腿的裂纹缺陷模型，对比进行了柔性支腿不同模型下的静强度分析和模态分析，得到了柔性支腿的应力应变值和固有频率，指出了缺陷模型的危险部位，可为焊缝裂纹的安全检测和评估技术提供参考。