增加海上风电安装船起吊高度的起重机设计方法研究

SHIP ENGINEERING 船舶工程

V ol.35 No.5 2013 总第35卷，2013年第5期

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增加海上风电安装船起吊高度的

起重机设计方法研究

唐文献1，李亚男1，张建1，张宗政1，相升旺1，罗勇2

（1．江苏科技大学机械工程学院，江苏镇江 212003；2．南通润邦海洋工程装备有限公司，江苏南通 226255）

摘 要：为增加船用起重机起吊高度，采取增加起重机吊臂长度的措施来实现。以460t海上风电吊装运输船起重机为例，在原有四节吊臂架起重机的基础上设计出五节吊臂架起重机，利用有限元法对其进行校核设计，协同调节吊臂及人字架结构参数以满足各种工况下的工作性能，其中首次运用带有预紧力的弹簧单元模拟人字架端部滑轮组和吊臂背部滑轮组之间的钢丝绳连接作用，进行对比分析，修正五节臂架起重机的吊臂和人字架结构参数以实现其轻量化。

关键词：吊装运输专用船；起重机；起吊高度；有限元分析；轻量化

中图分类号：U664.4+3; TH213 文献标志码：A 文章编号：1000-6982 (2013) 05-0044-04 Research of Crane Design Method Based on Increasing Lifting Height of Offshore Wind Installation Vessel

TANG Wen-xian1, LI Ya-nan1, ZHANG Jian1, ZHANG Zong-zheng1,

XIANG Sheng-wang1, LUO Yong2

(1. School of Mechanical Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Jiangsu Zhenjiang 212003, China; 2. Nantong Rainbow Offshore& Engineering Equipments Co., Ltd., Jiangsu Nantong 226255, China)

Abstract:The method of increasing the length of the crane boom is adopted in order to increase the lifting height of the marine crane. The crane of the offshore wind installation transport vessel with 460t is taken for an example. Finite element analysis method is used to make its checking design .The parameters of the boom and Renzi Jia structure are co-regulated to meet the performance of various conditions. It is first applied that the preload spring unit is used to analog the role of the wire rope connected between the Renzi Jia end pulley block and boom back pulley block. Some analysis for the comparison is conducted. The purpose of lightweight is achieved by correcting the parameters of boom and the Renzi Jia structure of the five boom crane.

Key words:installation transport vessel; crane; lifting height; FEA; lightweight

与陆地风电相比，海上风电的资源量多、品质好，且清洁环保，已成为国际风电发展的新方向。我国海上风能的量值是陆上风能的3倍，具有广阔的开发应用前景，随着海洋资源的大量开发利用，船用起重机的应用越来越广泛，其起吊高度也越来越大。

2005年，王贡献[1]等人运用有限元法对四杆起重机臂架系统在冲击载荷作用下的动力学特性进行了研究，给出了臂架结构设计动载参数φ2的解析表达式和数值解；纪爱敏[2]等人，以QAY125型起重机吊臂为例，给出了其截面的优化设计过程，为吊臂的优化设计提供了一种新的思路；戴晟[3]等人根据起重机转台结构在起吊工况下的动力学特性，通过有限元分析法找出了应力的主要集中区域；任志杰[4]从设计角度验证了QYC-8111型船用起重机的安全可靠性；2010年，赵九峰[5]等人探讨了某型船用起重机吊臂的优化设计方法，根据应力和刚度的分布情况来确定吊臂结构。上述研究大多只对单独部件进行设计分析，而吊臂结构的改变对整体模型的影响研究方面甚少。

随着起吊高度的不断增加，其吊臂的重量和长度也不断增加，对人字架的要求也相应提高。因此对起

收稿日期：2013-01-04；修回日期：2013-03-23

作者简介：唐文献（1963-），男，教授。主要从事船舶海洋工程装备技术研究。

唐文献等，增加海上风电安装船起吊高度的起重机设计方法研究

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重机的吊臂和人字架进行合理的结构设计及力学分析是非常必要的。本文以460t 海上风电吊装运输专用船起重机为研究对象，根据相关的设计要求和规范，利用Pro/E 分别建立四节和五节臂架起重机的几何模型，再利用Hypermesh 和ABAQUS 进行网格的划分和典型工况的求解；采用带有预紧力的弹簧单元模拟人字架端部滑轮组和吊臂背部滑轮组之间的钢丝绳连接作用，重点对加长后的吊臂和人字架进行受力和变形分析，根据应力应变的分布情况来确定最优的吊臂和人字架的截面尺寸，力图节省更多的工程材料。

1 起重机设计及工况分析

现有海上风电吊装运输专用船上用起重机，最大起吊重量460t ，最大起吊高度为100m ，根据《船舶与海上设施起重设备规范》、《海上平台起重机规范》、《起重机设计手册》等相关规范，设计出其起重机吊臂、人字架及回转平台的参数下表1所示。

该起重机吊臂的工作角度为59°～80°，其对应的起吊重量为80t ～460t 。由此衍生分析工况。工况1：仰角为80°，吊物重460t 、载荷由回转惯性力、风载荷、自重及吊重等构成；工况2：仰角为59°，吊物重80t 、载荷由回转惯性力、风载荷、自重及吊重等构成。

表1 起重机模型信息

部件

总体尺寸/m

主要对象 主要参数

材料

屈服强度/MPa

吊臂 86 主杆 外径为229mm ，厚度为12mm 的圆形钢管 Q235 235 腹杆 外径为102mm ，厚度为14mm 的圆形钢管 Q235 235

人字架 38

主杆 长×宽×厚为300mm×500mm×32mm 的方形钢管 Q235 235 腹杆

外径为229mm ，厚度为20mm 的圆形钢管 Q235 235

2 几何建模及有限元建模

图1为四节吊臂起重机的几何建模和有限元建模，运用Proe 软件建立三维模型，之后导入Hypermesh 软件进行网格划分，再利用Abaqus 进行提交分析求解和结果分析。

图1 几何建模与有限元建模

图1(b)根据起重机结构，采用梁单元模拟吊臂和人字架的主杆及腹杆；采用壳单元模拟吊臂、人字架端部钢板以及回转平台结构；简化模型，采用运动耦合（coupling ）模拟人字架支腿和回转平台连接关系；采用实体单元和运动耦合（coupling ）模拟回转平台上的卷筒组；采用运动耦合（coupling ）和铰链连接单元（Hinge ）模拟吊臂和回转平台之间的回转作用；采用运动耦合（coupling ）模拟吊臂和人字架上的滑轮组；施加载荷时，自重采用重力加速度的形式加在模型上，另外的风载、吊重及回转惯性力等均以集中力的形式施加在模型上，具体建模方式参见文献[6]。

文献[6]采用Equation 约束人字架和吊臂之间的相

互作用，而本文采用带有预紧力的弹簧单元模拟人字架端部滑轮组和吊臂背部滑轮组之间的钢丝绳连接作用，具体实现方式是ABAQUS 软件中的轴向连接单元（axial ），如图2所示，其结构包含弹簧和阻尼，具有轴向弹簧的特性，采用此种带有预紧力的弹簧单元比刚性连接单元更符合实际工况，钢丝绳的变形在线弹性范围内，抽象简化为弹簧，满足胡克定律F =K ·Δx ，其中，K 为物质的弹性系数，Δx 为轴向变形量；应力σ与应变ε成正比，即σ=E ε，E 为材料的弹性模量，由此可以得到：

1r F L L E A ??

=+????? （1）

r E A

K L ?= （2） 其中，L r 为参考长度，即钢丝绳未变形长度；L 为钢丝绳变形后长度，Δx =L -L r ；F 为钢丝绳所受轴向力；E 为钢丝绳弹性模量，取140GPa ；A 为钢丝绳截面面积。

通过以上计算来设置弹簧连接单元属性（弹性系数、参考长度），建立弹簧模型代替钢丝绳连接，对比于一般的刚性连接单元分析结果，此种简化更符合工程实际。

图2 弹簧单元原理简图

(a) 几何模型

钢丝绳

吊臂

人字架

弹簧单元

(b) 有限元模型u 1b a

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3 结果分析与改进

根据《海上平台起重机规范》，臂架的许用强度由材料的屈服极限除以安全系数 1.33所得，为176.7MPa ；起重机的吊臂和人字架的许用刚度由式（3）计算得到：

20.71000f l = （3） 其中，f 为臂端许用刚度；l 为臂架长度。由此作为起重机的强刚度校核的标准。 3.1 四节臂架分析 图3为59°和80°吊装工况下起重机的应力、位移云图。由图可知，59°吊装工况下，整体最大应力位于人字架上端部，为154MPa ，最大位移位于吊臂的端部，为71.84cm ；80°吊装工况，整体最大应力位于吊臂端部，为160.8MPa ，最大位移位于吊臂的端部，为18.2cm ；两种工况下吊臂和人字架的分析结果见表2所示。对其进行刚强度校核，最大应力160.8MPa 小于许用应力176.7MPa ，刚度值远小于许用刚度，可知起重机吊臂、人字架的刚强度均满足设计要求。

图3 四节臂架整体结果分析

表2 吊臂、人字架分析结果

分析对象

80°工况 59°工况

四节吊臂

五节吊臂

五节改进

四节吊臂

五节吊臂

五节改进

吊臂 最大应力/MPa 160.8 314.6 160.4 127.4 277.7 164.4 最大位移/cm 18.2

295

43.22 71.84 189.9 98.93

人字架

最大应力/MPa 140.6 97.87 122.7 154 157 138.3 最大位移/cm 9.129 6.185 7.944 9.165 9.145 8.17

3.2 五节臂架建模与分析

为提高起吊高度，在以上四节吊臂基础上，设计五节吊臂起重机，对其进行有限元分析。图4为59°和80°吊装工况下起重机的应力、位移云图。由图4可知，59°工况下，整体的最大应力位于吊臂与回转平台铰接处，为277.7MPa ，最大位移位于吊臂的端部，为189.9cm ；80°吊装工况下，整体最大应力位于吊臂与回转平台铰接处，为314.6MPa ，最大位移位于吊臂

的端部，为295cm ；吊臂和人字架的分析结果如表2所示。对其进行刚度、强度校核，在两种典型吊装工况下，人字架刚度、强度均符合要求，但过于保守导致材料浪费，而起重机吊臂应力远大于许用应力，变形过大不满足设计要求。

图4 五节臂架整体结果分析

(a) 59°应力云图

(b) 59°位移云图(c) 80°应力云图

(d) 80°位移云图

(a) 59°应力云图 (b) 59°位移云图

(c) 80°应力云图(d) 80°位移云图

唐文献等，增加海上风电安装船起吊高度的起重机设计方法研究

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3.3 五节臂架结构改进后分析

随着起重机吊臂的长度增加，在原有结构参数下，五节臂架的刚强度已无法满足设计要求，为满足四节吊臂的工作性能，对吊臂及人字架的结构参数进行改进设计。通过以上分析，可知，应力主要集中在吊臂和人字架的主杆上，故主要对吊臂和人字架的截面参数进行修正。

修正后起重机结构参数如下：吊臂总长为86m ，主杆采用外径为229mm ，厚度为14.5mm 的圆形钢管，腹杆采用外径、为102mm ，厚度为14mm 的圆形钢管；人字架主杆采用长×宽×厚为300mm×500mm×42.5mm 的方形钢管，腹杆采用外径为229mm ，厚度为20mm 的圆形钢管；回转转台的长度和宽度分别为19m 、10m ，厚度为100mm ；材料均为Q235，屈服强度为235MPa 。

图5为59°和80°吊装工况下起重机的应力、位移云图。由图5(a)、图5(b)可知，59°工况下，最大应力位于吊臂与回转平台铰接处，为164.4MPa ，最大位移位于吊臂的端部，为98.93cm ；由图5(c)、图5(d)可知，80°工况下，最大应力位于吊臂与回转平台铰接处，为160.4MPa ，最大位移位于吊臂的端部，为43.22cm ，吊臂和人字架的分析结果见表2，对其进行刚强度校核，均满足设计要求。

图5 五节臂架结构改进后整体结果分析

4 结论

1）采用有限元技术模拟起重机模型，采用运动耦合（coupling ）、铰接连接单元（Hinge ）、轴向连接单元（axial ）等对模型进行合理简化，建立包括吊臂、人字架及回转平台的起重机有限元模型，然后运用ABAQUS 软件进行提交求解和结果分析。

2）本文采用带有预紧力的弹簧单元模拟人字架端部滑轮组和吊臂背部滑轮组之间的钢丝绳连接作用，具体实现方式是ABAQUS 软件中的轴向连接单元（axial ），现在对于钢丝绳连接的有限元分析中，多将其忽略或简化为刚性连接，不能有效的反映钢丝绳的工作特性，本文采用此种带有预紧力的弹簧单元更能体现钢丝绳的特性，分析结果更符合工程实际。

3）通过对原有四节臂架起重机分析，并根据有限元计算结果和相应船级社规范进行刚强度校核，性能满足设计要求；并在此基础上，对衍生的五节臂架起重机分析，可知在原结构参数下，并不能满足设计要求；针对吊臂、人字架的主杆截面参数进行修正，使五节臂架起重机在满足设计要求的同时，更趋向于轻量化。

4）本文采用的有限元建模及分析方法可以用于研究其它类似结构的起重机的刚度和强度，可以对起重机设计提供理论指导；同时通过对比修正分析，为在满足设计要求下提高起重机起吊高度找到可行性方法。

参考文献：

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态特性研究[J]. 机械强度, 2005, 27(5): 561-566. [2] 纪爱敏, 罗衍领. 起重机伸缩吊臂截面优化设计[J]. 建

筑机械化, 2006, 27(3): 17-20.

[3] 戴晟, 游敏, 王旺生, 等. 轮胎式起重机转台结构的数

值分析[J]. 机械强度, 2007, 29(2): 289-293.

[4] 任志杰. QYC-8III 型船用起重机的强度及安全性分析[J].

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[5] 赵九峰, 苗明. 船用起重机吊臂的优化设计[C]//北京力

学会第16届学术年会论文集, 2010: 476-477. [6] 张建, 唐文献, 李钦奉, 等. 基于有限元法的海上风电

吊装运输船起重机设计与分析[J]. 船舶工程, 2012(1): 100-103.

(a) 59°应力云图 (b) 59°位移云图(c) 80°应力云图

(d) 80°位移云图

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/a06q.html