杜雷雨,邹 强,洪 亮
(1.南京理工大学 能源与动力工程学院, 南京 210094;2.海军工程大学 兵器学院, 武汉 430033)
船载起重机是船舶自带的一种特殊设备,主要用于船舶之间、船舶与海上平台之间和船舶与岸上之间货物的转移,船在海上工作时补给等情况。和陆上起重机不同的是,船载起重机会受到风、浪、流等影响,在工作时还受到各种负面耦合作用,影响起重机工作的安全性;且海上环境更为潮湿,空气中含有多种化学元素,对起重机造成腐蚀,影响起重机的使用寿命。
针对船载起重机的特殊性,全世界学者做了大量的研究去减小或消除海洋产生的负面影响。韩广冬等[1]提出了一种利用套管的刚性约束来减小吊索的摇摆幅度的新型船用起重机伸缩套管减摇装置,并通过实验验证了此装置的可行性和实用性。陈东等[2]设计了一种基于CAN总线的船用起重机自动定位控制系统,通过实验发现:和传统PID控制相比,此系统提高了起重机的自动转运时间和目标定位精度,并可以减少一定的误差。
碳纤维材料因其良好的力学性能和耐腐蚀性,可以进行对传统钢制起重机的替代。但碳纤维材料的价格相对于钢材而言过高,且目前碳纤维起重臂的研究和应用较少。孟进军等[3]介绍了轻质材料在工程起重机中的应用,目前碳纤维复合材料还未在起重机臂架中有应用;章崇任[4]介绍了俄罗斯汽车起重机起重臂使用碳纤维复合材料优化升级的成果,升级后强度增加、更轻量化、可靠性变高;马泽超等[5]设计了一种碳纤维轻木夹芯结构起重臂架,挠度和侧偏均小于钢制臂架,质量减轻了40%。
船用起重机多为可伸缩折叠起重臂,伸缩折叠起重臂相较于传统起重臂在不工作时可以大幅减少本就拥挤的甲板空间,且折叠后的起重机重心降低,可以一定程度地减少船舶航行过程中的摇摆。伸缩折叠起重机的最后一节伸缩臂一端与前一节伸缩臂固定,另一端与重物连接,为受力最复杂段,此节臂最容易发生断裂失效。因此,针对船用起重机最后一节伸缩臂进行建模分析。
起重臂是起重机的主要受力部件,在工作时双向受弯,海上复杂的环境使其受到的横向剪切力相对陆地起重机更大,合理地选择起重臂的截面可以加强起重机的抗弯和抗剪能力,优化截面在壁厚相同的情况下也可以减轻起重臂的质量。伸缩式起重臂截面主要为四边形、六面形、八面形、U形、梨形、椭圆形等,不同截面有不同的优劣:四边形结构简单、应用广泛;多边形截面弥补了四边形局部失稳的缺点;椭圆形受力是相对最理想的截面,U形是经过优化计算后最合理的截面[6-8]。其中:四边形截面由翼缘板和腹板焊接而成,制造工艺简单。但此形状截面不能充分发挥高强度材料的能力,不能很好地传递扭矩和横向力;而且在四个点容易发生应力集中,底板和腹板受较大的压应力,容易造成局部失稳,在海上复杂环境下此缺点更为明显。
椭圆形截面上弯板为大圆弧槽型板,下弯板为椭圆形槽型板,相较于四边形截面抗扭性能显著提升,且拥有独特的抗屈曲能力和稳定性。但此截面需要侧面支撑,制造工艺复杂,对焊接要求较高,目前应用较少。
U形截面上弯板为大圆角槽型弯板,下弯板为U形槽型弯板,其横向抗弯刚度和抗扭刚度优于其他形状截面,上半部拉应力较大,提升了侧板的稳定性,下底板提高了抗局部失稳能力,在连接处有较小的应力和应力分布,且有效减轻了起重臂的质量。
在相同截面积和相同受力情况下,U形截面拥有良好的力学性能,能最大程度地利用材料的机械性能,且质量较轻[9],综合考虑选用U形截面。起重臂尺寸图如图1所示。
图1 起重臂尺寸图Fig.1 Lifting arm dimension diagram
图2 起重臂碳纤维复合材料铺层坐标系Fig.2 Frame of hoisting arm carbon fiber composite layer
碳纤维材料相对于传统起重机所用的钢材材料具有低密度、高比强度、高模量、耐高温、耐腐蚀等优点,尤其在海上潮湿、复杂的工作环境中,碳纤维材料的起重臂拥有更好的力学性能和更长的使用寿命。对2种碳纤维材料T-300和T-700进行对比分析,选择适合本设计的碳纤维材料。2种碳纤维材料的性能参数如表1所示[10-11]。T-700相较于T-300材料含碳量更高,其拉伸强度、拉伸模量和断裂伸长率都要优于T-300,T-700材料较T-300强度提升30%以上,但T-700材料的模量只是略高于T-300。
表1 T-300和T-700的性能参数Table 1 Performance parameters of the T-300 and T-700
碳纤维材料装置的设计要考虑其复合材料的特性,对其铺层角度、铺层顺序、铺层厚度等进行确定。
在实际的产品铺层中,0°、±45°和90°最为常见,0°铺层承受轴向载荷,±45°铺层承受剪切荷载,90°铺层承受横向载荷,其他角度的铺层也能承受剪切载荷,但是效果没有±45°好。根据起重机的工作环境,其主要载荷为轴向载荷和侧向风载荷,侧向风载荷相对于轴向载荷而言很小,而90°铺层的抗剪性能较差,在没有90°铺层时Tasi-Wu系数较小。因此不采用90°铺层,采用±45°铺层对抗侧向的风荷载和剪切载荷。
马泽超等[5]对不同厚度碳纤维起重臂进行研究,发现随着壁厚的增加起重臂的挠度和偏移逐步减少,壁厚在15～20 mm时挠度减少幅度很小,侧偏略有增加。因此,将起重臂的厚度定为18 mm,而每一层T-300和T-700碳纤维布的厚度为0.15 mm,需要铺120层。
李进[12]研究了±45°铺层数占总层数的关系,发现随着±45°铺层数与总层数比值x的增加,节臂受到的最大剪切力逐渐减小,但比值x的增加也将导致节臂末端的挠度增大,在占比为1∶3时可以兼顾二者达到最佳。
综上,本设计的碳纤维起重臂不采用90°铺层。±45°和0°采用1∶2的比例铺层,铺层方案如表2所示。
表2 碳纤维复合材料铺层方案Table 2 Carbon fiber composite coating scheme
起重机在其工作平面内主要受力为臂身自重、货物载荷、绳索拉力、风载荷等(图3),对这些载荷分别进行计算并添加到模型中,为了计算方便,对一些载荷进行简化和近似处理。
图3 起重臂受力分析图Fig.3 Force analysis diagram of lifting arm
1) 对起重臂这种大型部件来言,其自身的质量不容忽视,需添加重力,对应到Abaqus中为添加Y方向的重力加速度9 800。
2) 起重机的预设吊重为4 t,另外,将起重机末端重为300 kg的吊装机构和钢丝绳简化转换为力并作用在起重臂的末端。通过模拟分析可知起重臂在海上漂浮时沿臂方向向内的力Fz和垂直臂向下的力Fy分别为40 584.6 N和39 874.2 N。
3) 船用起重机所受的风载荷不能忽视,尤其是在三级海况下。起重机在工作时,起重机的不同面将处于迎风状态,因此无法准确施加风载荷,而本章节的目的为验证所设计的碳纤维起重臂能否满足各工况的需求,因此对起重机加上最大理论载荷。
查取起重设备设计规范,风载荷表示为
Fc=CqA
(1)
式中:C为风力系数,查表取1.55;q为风压,三级海况时为0.72～1.85 kg/m2;A为迎风面截面积。
4) 起重臂左端与另一节臂完全固定,在仿真时简化为左端固定约束。
4.1 失效分析
复合材料的强度分析经过长时间的发展出现各种强度准则,本设计选择用蔡吴失效系数作为判断标准,对复合材料的每一层进行失效分析,蔡吴失效的表达准则为
(2)
式中:F11、F22、F1、F2、F12、F66为应力空间的强度参数。当强度比大于1时,表示材料失效,小于1时为未失效,且值越小则表示安全性越好。
对T-300、T-700两种材料的起重臂进行有限元分析,得到2种材料每一层的T-W系数如图4所示。从图4中可以看出,2种材料起重臂每一层的最大T-W系数都远小于1,说明在此工况下各层都未发生失效,且安全容量很高。此外,2种材料都为120层,T-300碳纤维起重臂相对于T-700碳纤维起重臂在相同层的T-W系数都较高,说明T-700碳纤维起重臂的安全性更好。另外,可以看出T-300起重臂0°铺层的最大T-W系数要大于45°铺层; T-700起重臂在前50层0°铺层的最大T-W系数要大于45°铺层,之后便反了过来。2种起重臂随着铺层层数的增加,45°铺层最大T-W系数的增长速度比45°铺层快,而T-700的首层最大T-W系数数值较小,所以会出现上述现象。其中,T-300碳纤维起重臂T-W系数最大值在120层为0.239 7,T-700碳纤维起重臂T-W系数最大值在120层为0.160 9。图5、图6分别为T-300和T-700最大T-W系数仿真结果图。
图4 T-300和T-700碳纤维铺层层数与T-W系数Fig.4 Layer number and T-W coefficient of T-300 and T-700 carbon fibers
图5 T-300第120层T-W系数Fig.5 T-300 the 120th layer T-W coefficient
图6 T-700第119层T-W系数Fig.6 T-W coefficient of the 119th layer of T-700
4.2 挠度分析
传统钢制起重机多采用HG785作为起重臂材料,对于小的起升质量,臂架厚度多为5 mm和8 mm,本章分别对5 mm和8 mm的HG785材料起重臂进行仿真,对比分析钢制起重臂和碳纤维起重臂的变形。起重臂在各种力的作用下会发生变形,但变形必须在一定的范围内,不能超过规定的许用挠度极限。起重机臂的变形与臂长的关系为[13]
Fl≤0.1(LC/100)2
(3)
式中:Fl为起重臂末端轴线方向的静位移;LC为起重臂总长度。设计的起重臂长为3 000 mm,代入式(3)可知,起重臂挠度极限为90 mm。
图7—图10为T-300和T-700两种材料在轴线方向的位移图。可以看出,T-300、T-700碳纤维起重臂在重力方向的位移分别为23.24 mm和22.05 mm,HG785起重臂壁厚分别为5 mm和8 mm时在重力方向的位移分别为43.22 mm和25.94 mm,每种材料起重臂在10个工况下的挠度都小于挠度极限,经过对比,每种工况下T-700起重臂的挠度最小,T-300起重臂次之,随后为8 mm的HG785起重臂,5 mm的HG785起重臂最大,说明碳纤维材料起重臂的抗弯曲能力较传统钢铁材料有一定的提升,其中,HG785材料起重臂的抗弯曲能力与其厚度成正比关系。
图7 T-300轴向方向位移图Fig.7 T-300 axial displacement diagram
图8 T-700轴向方向位移图Fig.8 T-700 axial displacement diagram
图9 HG785 (5 mm)轴向方向位移图Fig.9 HG785 (5 mm) axial displacement diagram
图10 HG785 (8 mm)轴向方向位移图Fig.10 HG785 (8 mm) axial displacement diagram
总的来看,T-300起重臂较5 mm和8 mm的HG785起重臂抗弯性能分别提高了46.2%和10.4%;T-700起重臂较5 mm和8 mm的HG785起重臂抗弯性能分别提高了49.0%和15.0%; T-700起重臂抗弯性能较T-300提高了5.1%。
另外,T-300碳纤维起重臂相对于壁厚5 mm和8 mm的HG785起重臂质量分别减轻了49.5%和18.4%;T-300碳纤维起重臂相对于壁厚5 mm和8 mm的HG785起重臂质量分别减轻了46.5%和13.6%。由此可以看出,碳纤维起重臂相比钢制起重臂质量减轻的同时有更高的稳定性和安全性。
4.3 应力分析
碳纤维起重臂的应力分布是造成T-W系数分布的直接原因,其单层的应力分布规律和T-W系数分布一致,在此不对其单层应力分布做过多陈述,提取2种材料起重臂在XY平面的沿轴长方向的应力S11,如图11所示,对比分析起重臂在截面上的应力规律[14-15]。
图11 起重臂XY截面图Fig.11 XY cross section of the boom
2种材料起重臂采用同一尺寸网格,从右侧中间的单元沿顺时针记录截面一周每一个单元的应力,得到的2种材料起重臂在XY截面的应力如图12所示。可以看出:起重臂在只受X方向应力时侧面的应力都较小,在侧面中间位置的应力甚至接近于0;U型截面下方主要受压应力,其独特的结构导致底部U型结构呈对称分布,越靠近中间部位应力越大;而主要受拉应力的上板受力在靠近右端的过程小范围变大;上板的2个圆角处受力较上板大一些,但因其圆角结构使其应力小于最大应力。另外,碳纤维起重臂的在上板和圆角处的应力变化较小,整体力的过渡较HG785起重臂更为平缓。
图12 2种材料起重臂在XY截面应力曲线Fig.12 Stress curves of the two materials boom in XY section
在本文中设计了2种碳纤维复合材料起重臂,并运用Abaqus软件对2种起重臂进行失效、挠度和截面应力分析,记录仿真时每一层的T-W系数、整体位移和截面各单元的应力,结果表明:
1) T-300和T-700碳纤维起重臂在海上工况下均未失效,二者的安全容量很高;且二者在此工况下的挠度也很接近,对比HG785起重臂有明显的提升,其轻量化更好;2种碳纤维材料出现上述结果是因为影响失效的为模量参数,T-700模量要远大于T-300,影响挠度的为强度参数,2种材料的强度参数相近。而T-700的成本又高于T-300,选择材料时要综合考虑。
2) U型截面的上下板面受力最大,且其受力基本沿对称轴对称分布,碳纤维材料的受力相较于HG785起重臂受力更小,力过渡更为平缓。该研究结果对后续碳纤维起重臂的设计和碳纤维起重臂的运动分析提供了参考。
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