CAE 技术在大型造船门式起重机 金属结构设计中的应用 中船第九设计研究院 朱云龙 何先凡 摘要：随着 CAE 技术的日渐成熟，中船第九设计研究院将该技术运用于大型造船门 式起重机金属结构的设计， 并取得了丰硕的成果， 在此基础上正准备对起重机 金属结构的进一步优化、驾驶室的人性化设计等课题进行探索。 叙词：CAE 门式起重机 金属结构 设计 应用 1 大型造船门式起重机概述 目前，国内造船模式趋向于大分段建造方式，目的主要是为了缩 短船坞（船台）的使用周期，提高船坞（船台）的利用率，即分段在 船体车间预制，通过平移设备（如重型平板车等） ，将经过涂装处理 的分段移至船坞（船台）侧的分段堆场，然后再用起重设备将预制分 段吊运至船坞（船台）中，进行船体总装焊接。 在我国的船厂中，船坞（船台）侧配置的起重设备常见的是门座 起重机，而近十年来，随着造船的大型化发展趋势，造船门式起重机 的需求急剧增长。与传统门座起重机相比，大型造船门式起重机对船 体分段的安装和运输具有明显的优势，横跨在船坞（船台）上的起重 机， 能在覆盖船坞（船台） 的平面内为装配现场服务，不仅具有升降、 平移功能，而且可以实施船体分段的空中翻身，把分段调节到船体所 需的焊接位置。 该类起重机是通过配备两套起升机构的上小车和一套起升机构 的下小车的配合，来实现船体分段的翻身作业。首先，通过吊钩的升 1 降调整，使整个分段都由上小车来承受（见图 11） ，卸了载的下小 车从上小车下穿过，吊钩则重新系在分段的另一侧（见图 12） ，这 时，上小车放下吊钩，同时上、下小车继续逆向而驶，从而实现分段 的翻身（见图 13） 。 图 11 图 12 图 13 2 中船九院在大型造船门式起重机的设计成果 式起重机进行研 究， 起 图 1 起重机分段翻身作业示意图 中船九院在 20 世纪 70 年代初就开始对造船门 收集了大量国外资料，并在 70 年代，就设计过多台起重量为 100 吨、跨度不等的单梁或双梁造船门式起重机，用于江南造船厂、天津 新港船厂等工厂；在 80 年代，九院协助大连造船新厂，先从德国引 进了 750t76m 二手门式起重机，成功地改造成为 580t102m 门式 起重机，之后又从美国引进了由德国 KRUPP 公司建造的 900t 205.74m 二手门式起重机，成功地改造成为 900t182m 门式重机； 在 90 年代，随着我国造船事业的迅猛发展，中船九院抓住了机遇， 2 先后设计成功 18 种不同规格的大型造船门式起重机（见表 1） 。 表 1 九院近十年设计的大型门式起重机一览 序 号 项目名称 上小车/下小车 跨 (m) 起升 (m) 时间 时间 使用单位 起重量(t) 度 高度 设计 竣工 1 480t122m 龙门起重机 75/9 11 渤海造船厂 2160/200 122 996 年998 年 2 300t116m 龙门起重机 2170/180 116 58/13 1997 年1998 年 南通中远川崎 3 200t42m 龙门起重机 280/100 42 30 1997 年1998 年 大连造船厂 4 200t65m 龙门起重机 280/100 65 55/6 1998 年2000 年 马尾造船厂 5 600t126m 龙门起重机 2200/200 126 58/13 2000 年2001 年 靖江造船厂 6 200t68m 龙门起重机 2100/120 68 42/12 2000 年2001 年 文冲船厂 7 600t170m 龙门起重机 2300/350 170 76/12 2000 年2002 年 沪东中华 8 200t72m 龙门起重机 275/120 72 55 2001 年2002 年 口岸造船厂 9 400t72m 龙门起重机 2160/200 72 51 2002 年待定 广船国际 10 300t72m 龙门起重机 2150/180 55 44 2003 年2 外高桥船厂 004 年 11 200t131m 龙门起重机 255/100 131 60/13 52/13 2004 年2005 年 北海造船厂 12 300t70m 龙门起重机 2100/120 70 60/60 2004 年待定 大连造船厂 13 500t113m 龙门起重机 2160/250 113 72/8 2004 年待定 浙江造船厂 14 300t85m 龙门起重机 2100/150 85 50/50 2005 年待定 浙江欧华 15 300t88m 龙门起重机 2100/150 88 55/55 2005 年待定 广州江门 16 300t72m 龙门起重机 2150/180 72 45/45 2005 年待定 17 600t172m 龙门起重机 2300/350 172 76/12 2005 年待定 18 600t187m 龙门起重机 2300/350 187 76/12 2005 年待定 上海长兴 造船基地 3 中，在 1996 年 12 月和 1997 年 3 月，九院分别完成了 480 吨 和 30 0 吨和 300 吨造船门式起重机的设计，均获得中国船舶工业集 团公 3 CAE 技术在起重机金属结构设计中的应用 31 起重机主要金属结构组成 、 刚性腿和柔性腿组成 （见图 2） ， 其中 其 0 吨两台造船门式起重机设计。在设计中，对于起重机金属结构 计算，首次采用 ANSYS 软件进行结构分析，彻底改变了以往传统的手 工计算方法，既提高了设计效率，又提高了计算精度，使得大型门式 起重机系列化设计成为可能。这二台起重机的设计，标志着中船九院 起重机设计进入了一个新的阶段， 填补了我国大跨度大吨位造船门式 起重机自行设计的空白， 也是中船九院为我国造船事业发展作出的贡 献。 48 司优秀工程设计一等奖，另外，300 吨造船门式起重机的设计还 获得上海市科技进步三等奖。 起重机主要金属结构由主梁 ，主梁与刚性腿之间采用高强度螺栓或焊接连接形式，主梁 与柔性腿之间采用柔性铰连接。 4 图 2 大型造船门式起重机 32 主要金属结构材料的选用 造船门式起重机的载重量大、跨度大，为了减少结构自重、 提高结构的承载能力，主结构一般选用高强度结构钢。 常用的高强度结构钢为Q345 或高强度船用钢板DH32（GB712 88） （注：中国船级社标注为ZCD32） 。Q345 根据环境温度不同， 分为B、C、D、E等级别，其屈服强度因板厚而异；如板厚不大于 16mm时，屈服强度不小于 345N/mm 2。DH32 钢板的屈服强度不小于 315N/mm 2，抗拉强度 440590N/mm2，伸长率 22。 33 主要金属结构的形式 1）主梁 主要采用梯形双梁结构（见图 3） 。截面由上翼缘板、下翼缘 板、腹板组成。 5 图 3 主梁截面示意图 根据主梁结构实际受力情况，翼缘板和腹板的厚度设置有其 特点。 对于上翼缘板， 沿主梁宽度方向， 采用厚度为1和2的板， 其中，沿主梁长度方向，轨道下的上翼缘板为等板厚1，而中间 部分的翼缘板2则为厚度不等的板，跨中厚，两侧渐薄。下翼缘 板采用双板叠加型式， 即34， 沿主梁长度方向3、 4为 不同板厚。腹板沿梁高方向也采用不同板厚组合而成，上下两端 的板较厚，中间渐薄。 翼缘板与腹板的厚度之所以这样布置，目的就是要合理使用 材料，在满足强度、刚度和稳定性方面条件下，尽量减轻整体结 构重量。 2）刚性腿 刚性腿采用箱形结构形式（见图 4） ，沿刚性腿高度方向，箱 形截面沿两个正交方向的截面是变化的，而且钢板的厚度沿刚性 腿高度方向也是不同的，因而在高度方向上，刚性腿具有不同的 6 截面惯性矩。 3）柔性腿 柔性腿由上接头、撑杆和下横梁三部分组成，相互间由法兰 通过高强度螺栓连接，组成一个三角形刚架结构（见图 5 示） 。柔 性腿上接头通过柔性铰与主梁连接，撑杆为筒状结构，下横梁为 箱形结构，与撑杆连接处构造采用天圆地方形式。 下横梁 撑杆 上接头 图 4 刚性腿示意图 图 5 柔性腿示意图 34 计算载荷 根据起重机设计规范 （GB381183） 1）起升载荷 2 Q P 2 为起升载荷动载系数，其计算公式为 )( 1 1 00 2 yg vc + =+= 式中 c操作系数； v额定起升速度； 0在额定载荷作用下，下滑轮组对上滑轮组的位 移量,00.0029H，H起升高度； 7 y0在额定载荷作用下，物品悬挂处的结构静变位 结构质量影响系数； 物品悬挂处的折算质量（单位：kg） ； 2）自重载荷 值（单位：m） ； 2 00 0 2 1 )(1 + += ym ym m1 m2额定起升质量（单位：kg） 。 1 G P 起升冲击系数 。 1 . 19 . 01 3）运行载荷 4)(+ 4 为运行冲击系数计算式，其公为 差（单位：mm） ； v 惯性载荷、下小车 车水平惯性载荷。 ,式中，m 为质 5） ，C风力系数，与结构的体型、尺寸有关； Kh h1； QGPP hv058. 0+10. 14 式中 h轨道接缝处二轨道面高低 运行速度（单位：m/s） 。 4）水平惯性载荷 HP 本机水平惯性载荷分为上小车水平 水平惯性载荷和 maPG5 . 1 qACK hW 大 量，a 为加速度。 风载荷PW P= 式中 风压高度变化系数，工作状态K q为风压； 8 A结构和物品的迎风面积。 6）起重机偏斜运行时对龙门结构所产生的附加载荷 由于起重机的重要性，计算时考虑了地震载荷。载荷数据参 考日SB88211976起重机钢结构部分计算标准 中 “对 境温度的变化对钢 结构标准中，一般假定25和45作为室外 温度 背光面的钢板表面温度有差异而会造成 结构 3 1）有限元分析模型的建立 元分析，可以比较精确地 一般偏斜控制值L5 7）地震载荷 本工业规范 JI 运行起重机、 固定式起重机均按 20自重的水平载荷考虑。 但不考虑用钢丝绳悬吊的物品的水平载荷” 。 8）热影响分析 应分两种情况进行分析。第一种情况为环 的影响。在 DIN 变化的界限，在强度计算时，以10作为施工时的气温， 按照35的温度变化来进行计算，分析温度变化对门架金属结 构应力和应变的影响。 第二种情况为日照对钢结构的影响。由于日照角度的不同， 结构同一截面的光照面与 的变形。在日照影响分析时，假定温度场变化呈线性，对于 单个杆件的不均匀传热，一般考虑温差为 15。 5 CAE 技术在结构分析中的应用实例 通过对门式起重机金属结构的有限 9 计算出结构的变位和应力数值，以供结构分析之用。该类结构分 析可 体建模时，一般以 门式 分为整体建模和局部建模两部分工作。 整体建模一般采用梁单元 BEAM188 或 BEAM44 等， 主要是研究 分析整体结构的净刚度、强度和动态分析。整 起重机的走轮、平衡梁、腿和主梁从下而上建立模型，各节 点的自由度和边界条件与实际情况一致，只不过平衡梁等非主结 构的刚度数值视为无穷大。图 6 为门式起重机的整体分析力学模 型。通过计算，可以得到所需的数据，如结构的自重挠度、内力 大小、固有频率、温度变化对结构的影响，也可以分析出行走机 构不同步对结构所造成的影响，等等。 图 6 整体分析的有限元力学模型 局部建模主要是对高腹板主梁作局部轮压下的屈曲分析。方 法是在主梁结构跨中截取一段出来，对面板、隔板采用板单元或 壳单元，对截面内的撑杆采用梁单元，建出板梁组合的详细的模 10 型，从微观角度分析应力场分布情况（如图 7） ，在主梁上截取 AB 段为研究对象，以相邻的横向筋为一跨