吴凤宇 张氢　

同济大学机械工程学院，200092

　　潘敏献　

上海振华港口机械股份有限公司，200125

　　[ 摘 要 ] 为了提高安装效率，目前卸船机上部结构一般在地面拼装，然后用大型浮吊整体吊装。本文将使用ANSYS软件论证某型卸船机的后大梁组件吊装方案，进行了静力分析和屈曲分析。

　　[ 关键词 ] 吊装，屈曲分析，卸船机

　　Analysis of the Hoisting Process of a Shiploader’s Backbeam Subassemblly

　　Wu Feng-yu Zhang Qing

　　College of Mechanical Engineering,Tongji University,200092

　　Pan Min-xian

　　Shanghai Zhenhua Port Machinery Co.,Ltd.,200125

　　[ Abstract ] For more efficiency, the upper structure of shiploaders is usually assembled on the ground and hoisted as a group part. In this paper, the software of ANSYS was used to analyze the hoisting process of the backbeam subassembly. Static Analysis and Buckling Analysis are included.

　　[ Keyword ] hoisting，buckling analysis，shiploader

　　1 前言

　　无论建筑结构还是大型设备，目前都常常在地面拼装后进行整体吊装。这种方式可大大提高施工的效率和安全性，当然也更为经济。本文讨论的是某型3000t/h卸船机，该设备的主要钢结构都在金构车间地面制造完成。其后大梁整体将在地面组装，包括梯形架、机房、小车等后大梁上的附属部分，总重约1200t，然后在整装场地用1500t浮吊将后大梁整体吊装到位。

　　该机设计方已经考虑到安装问题，为此在卸船机的海侧和陆侧门框上部都设置了安装吊耳。但该吊耳主要是为了配合吊梁进行安装，需要有较大的起升高度。1500t浮吊的起升能力足够，但是如果配合起升吊梁使用，则该浮吊的起升高度不够，不能完成吊装工作。为此，吊装时不能使用吊梁。我们的任务是对初步给定方案进行分析，确定安全可靠的吊装方法。计算时载荷主要考虑自重，校核吊装时结构的强度，注意防止大梁失稳。

　　2 建立吊装模型

　　2.1 吊装方案概述

　　本吊装方案在陆侧和海侧吊点附近增加了两根联系横梁(见图1)，吊装完成后拆除。该联系横梁由Ф1200×δ16的钢管制成。吊装时直接借用海、陆侧门框上设计时就预留的吊耳。由于起吊高度的限制，起升钢丝绳不可能垂直起吊，因此起吊钢丝绳张力会对结构产生附加压力，该水平压力就是由这两根联系横梁承受。因此为减小附加弯矩，联系横梁与吊耳的距离不能过大。吊装时可通过调节小车位置和增加配重等方法来调节整体的重心，以达到最佳吊装效果。

　　2.2 有限元网格划分

　　计算软件为ANSYS有限元分析软件。后大梁为箱形梁，要重点考察其强度和稳定性，根据实际尺寸箱形梁及其横向加劲肋采用SHELL63单元建模，纵向加劲肋用BEAM188建模。梯形架和支撑等用BEAM188梁单元和LINK180杆单元建模，钢丝绳用LINK8建模。整个模型(见图1)节点数为42361个，单元数为43482个。

　　吊装计算模型的质心位置要求与实际不能相差太大。后大梁、后撑杆、梯形架、陆侧拉杆等结构建模尺寸与实际基本一致，其自重自然地反映在模型中。机电产品如俯仰机构、电器、电器房、小车等，由于受吊装影响较小，建模时只要能正确反映其质量的大小及分布即可，则可视为集中质量的部分用质量单元MASS21模拟，其余部分用虚拟的梁和板单元模拟。大梁的各个节段、梯形架、各种机构、机房等的质量都是已知的，我们对其赋予了不同的材料密度，通过调整密度值，各部分都获得了较精确的质量和质心位置，则后大梁整体的质心位置也是比较精确的。

　　图1有限元模型 (主视图)

　　2.3 材料、载荷及边界条件

　　根据实际材料性能输入弹性模量和泊松比。材料密度如前所述，要根据各部分结构实际质量进行调整。

　　吊装在无风或微风条件下进行，不考虑风载荷。分析时只考虑自重载荷，吊装提升缓慢，取动载荷系数1.05，则施加竖直向上的惯性载荷9.86×1.05=10.35m/s2。

　　钢丝绳上端四点约束三个方向移动自由度。后大梁与前大梁铰接处关键点约束水平方向的两个自由度，用于防止大梁整体偏移，此处约束的支反力在调好重心后不会太大。

　　3 方案计算及结果分析

　　计算中静力分析使用了ANSYS的Static Analysis，计算稳定性时使用ANSYS的Buckling Analysis。静力分析进行了若干次，调整模型各部分的质量与实际相符，并通过改变小车位置和增加配重等方法调整了整个模型的重心，以符合实际吊装情况。

　　3.1 计算结果

　　下面以图片形式列出了按照第四强度理论得出的卸船机折算应力分布情况(见图2、图3，单位为MPa)，以及屈曲分析结果，列举了典型的几种局部失稳(见图4、图5)，详细结果见表1。

　　图2 整体应力分布

　　图3两根联系横梁应力分布

　　图4 第一阶失稳模式

　　图5 第二阶失稳模式

　　表1 吊装方案计算结果

　　后大梁整体总重量1207.8t

　　重心Xc=19.161m, Yc=8.077m, Zc=0.112m

　　整体的计算最大应力251 MPa

　　吊装所加两根联系横梁最大应力56 MPa

　　1阶失稳模式的载荷系数3.379

　　2阶失稳模式的载荷系数3.388

　　3阶失稳模式的载荷系数3.4

　　4阶失稳模式的载荷系数3.41

　　5阶失稳模式的载荷系数3.42

　　6阶失稳模式的载荷系数3.42

　　7阶失稳模式的载荷系数3.45

　　8阶失稳模式的载荷系数3.45

　　按照该方案计算的应力在许用范围内。屈曲分析计算也表明临界载荷系数大于1(1阶最小，为3.379)，即失稳临界载荷大于实际载荷，结构不会失稳。联系横梁计算长度为38m，因此它的长细比大约为l=l/r=38/0.6=63，吊装时，其应力约56Mpa，不会失稳。

　　4 结论

　　需要指出的是计算模型是理想化的，无法考虑制造过程中无法避免的误差，例如焊接残余应力、初始变形等。因此吊装时结构上必要的加固是必须的，新增的联系横梁其焊接质量也需要保证。各组钢丝绳拉力方向并非沿着吊耳布置方向，因此吊耳和它附近受力情况复杂，要考虑局部加强。

　　吊装时需要重点检测下述位置：海、陆侧门框与后大梁联系处，联系横梁与门框联系处，起吊吊耳处;同时注意观察整个被吊构件的变形情况。

　　总之，此方案总体是可行的。

　　目前，根据此次有限元分析的方案该卸船机已经成功地完成了后大梁的整体吊装。

　　[参考文献]

　　[1] 刘涛 杨凤鹏，《精通ANSYS》，清华大学出版社，北京，2002

　　[2] ANSYS软件在线帮助