海上起重机桁架式臂架结构的安全性评价
摘要
由于船舶订单减少和韩国市场订单不足，韩国造船业经历了衰退。2017年订单量较前些年有所增加，但这仅占2020年预计订单量的60%。尽管，从2003年到2023年将近20年时间里，造船订单大幅度增加同时，海上起重机也将增加，。本文对海上起重机桁架式臂架系统按照其起重臂变幅角和变化起升载荷不同组合，通过安装在海洋平台上的海上起重机臂架结构的应力分布系统来评估其臂架结构安全系数。此外，根据API和ABS标准，通过屈曲系数来校核检验臂架发生屈曲失稳的可能性，对OLBC进行了设计和评价。
关键词：海上桁架式臂架起重机；海上平台；CFX；屈曲分析；结构分析
绪论
2009年，由于船舶订单减少和韩国市场订单不足，韩国造船业经历了衰退。特别是国内订单所占比重比竞争对手低，而且没有相应解决对策。2017年订单量较上年有所增加，但这预计仅占2020年60%的订单量。然而，从2003年造船订单大幅度增加，到2023年，将会是20年的时间，从2003年到现在这么长一段时间，造船订单是时候进入增长期了。因此，考虑到更换旧船，未来订单量也会增加。伴随着海洋平台订单的增加，配套海洋平台的海上设备随之增加。并且，造船也会趋向于专业化、大型化、复合化。
在本研究中，利用ANSYS分析程序，根据变幅臂架角和临界载荷，确定了浮式海洋平台（FPSO）上安装的OLBC（海上起重机臂架结构）的应力分布和安全系数。通过屈曲系数来检验屈曲的可能性。此外，还根据API和ABS标准对OLBC进行了设计和评价。
海上起重机臂架结构
结构分析程序与三维建模
OLBC的高度为33m，最大工作半径为42m，有一个用于变幅和起升的臂架和人字架，一个支撑整个结构的甲板，以及一个连接三个结构的甲板。
考虑到在海上使用时的腐蚀和安全性，臂架部件选用S355J2作为材质其屈服强度为355MPa，使用DH36作为材质的甲板和基座部件的设计屈服强度为350mpa。
由于对OLBC的实际模型进行有限元分析十分复杂，因此利用CATIA对模型进行了简化。此外，将模型分为10个部分，以生成密集而精细的网格，并进行干涉检测，将其识别为一个结构。OLBC的三维建模如图1所示。
利用ANSYS中的流线体设计模型，考虑了变幅钢丝对整个臂架零件的支撑作用。
安装OLBC的FPSO是一种具有钻井能源和生产、储存、运输能力的浮式生产储油船。为了考虑不断变化的环境荷载，对结构在船上的稳定性进行了评估。因此，OLBC的工作环境分为陆上和海上情况。重点考虑变幅角分别为28°、61°和最大80°三种时六种作业情况进行了结构分析。采用CFX分析是为了考虑所有条件下的风荷载影响。
OLBC主体结构采用圆管结构，其长度远大于其横截面积，当在轴向施加载荷时，圆管可能因瞬间横向弯曲，可能出现屈曲失稳现象。因此，我们将采用不同壁厚的圆管结构：臂架杆部分、人字架部分和底座部分分别考虑其稳定性问题。我们根据圆管的不同厚度情况，判断屈曲的可能性。表1总结了结构分析工况和过程程序。
图1 使用CATIA建立的OLBC三维模型
表1 分析条件
环境载荷
加速度
在恶劣的海洋环境中，要求海上浮式装置长期保持相对稳定状态，从设计的角度准确预测和解释波浪、风引起的环境载荷是非常重要的。海风及海浪会引起海上平台的随机振动，也会影响安装在海上浮式装置上的OLBC。为了将这种波浪运动作为一种环境条件，选择有效波高（）为2m，并根据海域分级规则计算了3轴方向的加速度。由（1）和（2）计算出的加速度在垂直方向（AV）为687.02mm/s^2，在水平方向（AH）为785.16mm/s^2 。
(1)
(2)
动态因素
海洋结构物暴露在各种环境荷载下，但小荷载作用精细复杂，无法模拟。因此，根据API分类规则，将海洋环境分为陆上和海上两类，得到海洋环境的动态因子。将各种动力因素应用于起重荷载，以评估安全性。通过（3）得到船上1.42和离岸2.00的动力系数（CV）。
基座因素
支撑臂架、龙门架和甲板的底座基础的底座系数应该根据施加在上面的垂直载荷来设计，由于OLBC的重量和施加在臂端的垂直载荷对基座底部产生很大的力矩，所以根据三种变幅角的情况选择基座系数。28度和61度时的P.F.为1.5，80度时为1.41，通过（4）计算得出。
数值有限元分析
CFX分析
由于海上工厂起重机设备位于海上，与陆地起重机不同，在进行安全评估时应考虑风荷载。OLBC结构是一种复杂的薄壁管相互交叉的结构，直接风荷载作用下的压力计算比较困难。同时，为了实现结构的几何建模和网格生成，将臂架部分建模为一个六面体。简化部件似乎对起重机的整体风荷载没有太大影响。为了得到风速引起的流动压力，在165m处与风速相反方向和82.5m处建立了流场，并在风速为20 m/s的进口处施加了气流。
在CFX分析中，网格的配置对获得准确的结果非常重要。然而，当整个流场由密集网格组成时，分析时间呈指数增长。为了获得快速、准确的压力结果，起重机表面形成一个致密的网格，当它离开起重机表面时，形成一个大网格。
CFX分析单元的结果
表2显示了变幅角的CFX分析结果。臂架尾部受流线吹动产生紊流，在风的正前方的吊臂和底座处产生最大压力。可见，最大压力并非集中在某一部位，风荷载作用于整个地表。在三种情况下，平均变幅角为258pa，差异为plusmn;5pa。
作为整体流分析的结果，在海上有必要将风荷载作为一种结构来考虑。但OLBC受风面积相对较小，风在管道间分布合理，风压较小。简化过的CFX结果可以被看作风压极大的情况，其实它的最大压力（Pa）与40 m高的起重机相比可以忽略不计。结果表明，当臂架部分建模为一个大六面体时，桁架的最大面积减小，最大压力进一步减小。
静态结构分析
静态结构分析采用CFX分析得到的最大压力和载荷方程得到的载荷作为临界条件。为了考虑起重机自重，将重力设为标准地球重力，以波浪和压力引起的加速度作为临界条件。
表2 CFX分析的结果
起重载荷
OLBC是一种用钢丝绳吊起货物的起重机。考虑到变幅角和安全载荷，货物应通过施加起重载荷来固定。以起重载荷为边界条件，分别在X方向和Y方向施加，见表3
提升载荷
表3总结了六种分析条件下，在三个轴向（1）和（2）、动力系数（3）和底座系数（4）下，施加在起重机上的提升荷载。表3中的荷载根据分析条件应用于边界条件。
表3 静态分析结果
静态结构分析结果
表4是28°、61°和80°在陆地和海上的静态分析结果，它显示了最大应力和安全系数，静态分析结果是按粗定角来计算的。
图4 静态分析的最大应力和安全系数
案例1和案例4的静态结构分析结果
案例1和案例4是变幅角为28°时，10吨和6吨的静态结构分析结果。龙门架后腿的最大应力分别为195.16mpa和186.06mpa。起重荷载发生在-x和-y方向，最大应力发生在连接起重臂和线体的大车（起重臂部分方向）。吊杆部分平均产生90mpa的应力，与线体连接的第五吊杆部分平均产生158.3mpa的应力。在底座和甲板上，观测到的应力小于160兆帕。
图2 28°变幅角的静态分析结果：（A）case1
的静态分析结果，（B）case4的静态分析结果
案例2和案例5的静态结构分析结果
案例2和案例5是24吨和15吨，变幅角为61°的静态结构分析结果。例2甲板与支座连接处的最大应力为151.29mpa，例5甲板与支座连接处的最大应力为142.42mpa。
甲板和基座的最大应力发生在吊杆在重力方向受到撞击时，而在-y方向的提升载荷较大。吊杆顶部的平均应力为70mpa，吊杆底部的平均应力为50mpa，均小于甲板和基座龙门部分。
实际应用的范围是变幅角45°附近，由于臂架挠度和屈曲的可能性，在最小变幅角和最大变幅角处的应用并不广泛。在61°变幅角时，吊杆的平均应力为60mpa，6种情况下，整个结构的安全系数最高，分别为2.35和2.49。
图3 61°变幅角的静态分析结果：（A）case2
的静态分析结果，（B）case5的静态分析结果
3．案例3和案例6的静态结构分析结果
例3、例6为60吨和40吨，变幅角为80°的静态结构分析结果。第二段臂架下壁出现最大应力，分别为242.3mpa和254.59mpa。与先前分析的结果有所不同，海洋环境中的应力比陆地上的应力大。
在第二段臂架出现最大应力的部位，各部位的应力差大于底座、甲板和龙门架的应力差，但整体应力分布大于四种结构分析结果。此外，与案例1、2、4、5中吊杆下部上方应力分布的结果存在较大不同，吊杆下部的应力是吊杆上部的2~3倍。这是因为吊装的y向荷载对臂架的垂直方向影响很大，很可能出现屈曲现象。然而，所有的最大应力都发生在低于屈服强度的载荷下。
屈曲分析
在起重臂出现最大应力的情况下进行屈曲分析，以确定结构的安全性。在情况1和情况3中，最大应力出现在由截面小和长度长组成的龙门架和底座部分，对该部分进行屈曲分析以确定线性屈曲稳定性。
临界条件
在图5（a）中，连接到甲板的销固定，重力作用于自重，变幅载荷作为情况1的临界条件。
在图5（b）中，在情况3中，底座底面固定，整个起重机结构的力作为临界条件。台座不考虑自身重量，不受外界环境荷载的影响较大。
在图5（c）中，在案例6中，施加静态结构分析的提升和起重荷载，并将重力作为自重施加。
图4 屈曲分析的边界条件：（A）case1的屈曲
分析，（B）case2的屈曲分析
屈曲分析结果
表5显示了屈曲分析结果。工况1龙门架屈曲分析表明的临界载荷系数为12.58，工况3的底座临界载荷系数为22.93，工况6的臂架临界载荷系数为5.41，此时应力最大。在这三种情况下，临界荷载系数均大于1，即结构的线性稳定性。
表5 屈曲分析的结果
结论
通过有限元分析，评价了海洋电站OLBC的安全性。为了考虑复杂的外部环境载荷，将CFX分析结果作为结构静力分析的边界条件和六种情况下的屈曲分析。
1．CFX分析结果表明，根据变幅角在三种工况下进行，平均258pa，均匀分布在起重机的最大面积上。
2．根据使用环境和变幅角度，在6种工况下进行了结构分析。经结构分析，出现了低于屈服强度的最大应力，满足安全系数1.2的要求。此外，在实际卸荷时，最大应力在常见使用角度下是最小和安全的结果。
3．通过将可能发生屈曲的钢架结构划分为若干部分进行线性屈曲分析。对受力最大的吊杆进行屈曲分析，结果表明，在临界载荷系数为1.41或更大的情况下，不会发生屈曲。
平原地区输电线专用汽车起重机臂架应力分析
摘要
基于对平原地区输电线专用移动式起重机臂架受力分析，确定了臂架设计的载荷荷载类型。根据臂架截面的不同组合，得到了适合臂架重叠实际情况的不同臂长的组合模式。采用大变形模型，用有限元法模拟了臂架的应力分布，并对计算结果进行了验证。得出了不同臂长、不同工作范围下的额定起重性能曲线，保证了特种移动式起重机的起重能力满足运输线路铁塔架设的要求。本文提出的起重机臂架有限元分析方法，对臂架设计具有一定的指导和参考价值。
前言
移动式起重机是输电线路杆塔架设的重要设备，它可以降低劳动强度，提高架设效率，提高经济效益和社会效益。
建筑业通用汽车起重机的机身尺寸和自重较大，无法在狭小工作场所使用，因此，通用汽车起重机不能满足塔架安装的要求。为此，设计一种体积小、重量轻、起升高度足够大的专用于输电线路塔式起重机显得非常必要。其主要技术要求为：起升高度70m，且在最大起升高度的额定起重量为2.7t。
臂架作为起重机的主要承载部件，其设计应引起足够重视。其承载能力直接影响起重机的性能。本文通过对不同计算荷载组合类型分析，建立了输电线路平原地区移动式起重机臂架的有限元模型，并进行了仿真计算，并根据强度和刚度控制准则，得到了不同臂长、不同工作范围下的额定起重性能曲线。
臂架设计参数
动臂的油缸部分呈椭圆形。起重臂头部为单板结构，起重臂端部为垂直板加强结构。臂架结构如图1所示。
特种移动式起重机伸缩臂架分为7节。基本臂长13.4米，全长72米。
有限元模型中考虑了臂架的实际载荷，如自重、起升载荷、转动惯量载荷、偏载、风载荷和钢丝偏摆载荷。
A.自重
自重是吊杆各部分的总重量。
B.起升载荷
提升载荷是起重物质的重力，包括货物、捆扎装置和起重绳索。当货物被吊离地面，或在突然下降时制动时，由于惯性产生动载荷。动载荷表示为起重质量Q与动系数Phi;的乘积，大于1。因此得到提升荷载：
C.转动惯量载荷
由动臂自重引起的水平切向惯性力称为转动惯性力。旋转惯性负载为：
其中，R为工作范围，为臂架自重
D.偏载
偏载是指起重质量在旋转或变幅时产生的水平力，包括风力、惯性力和离心力。偏荷载为：
其中，alpha;为钢丝绳的摆角，一般为3°~6°。
E.风载荷
风荷载是指作用在吊杆上的风压： 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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