船用起重机的主臂强度校核

1、 材料力学III期末研究报告船用起重机的主臂强度校核姓 名：XX 指导教师：XX学 号：XXXXXXXX学 院：动力学院专业班级：能动X班 2016年6月【背景】主臂是船用起重机的主要受力部件之一，多种载荷都作用在主臂上。本文将以国家海洋技术中心发布的船用起重机的主臂强度校核方法研究为基础，着重计算极限情况下的主臂受力并进行强度校核，为选择主臂的材料提供一定的参考意见。【关键字】船用起重机 强度校核 极限情况 受力分析 模型建立与推导船用起重机由塔身连接主臂，主臂后端还有一节折臂。折臂是可以自由上下转动的，但只有折臂与主臂在一条直线上时，也就是达到最大回转半径时，力臂达到最长，因此该状态应该是

2、强度校核的最合理状态。1. 基座；2. 底座；3. 塔身；4. 操作台；5. 主臂；6. 折臂；7. 变幅油缸；8. 折臂油缸；9. 起身绞车如上图所示为船用起重机的简图，根据分析，我们得到主臂受力主要包括：1.自重载荷；2.起升载荷；3.风阻力；4.船舶运动引起的惯性力。主臂的受力分析 折臂完全展开与主臂成一条直线，可以将主臂和折臂视为刚体，将其简化为一个绞支悬臂梁，如下图所示。1图中C点为支点，E点为重物悬挂点，主臂承受的载荷包括：重物载荷Fy（原文使用的因素载荷，这里对其进行简化）、折臂自重F1、折臂油缸重量F2、除去AC段外主臂的自重F3，(本文中所有的F1,F2,F3,Fy与q1,q

3、2,q3,Qy等同，图例使用的q1,q2,q3,Qy,下面的计算中也是一样)通过这些参数我们可以列出各载荷对C点的弯矩方程（顺时针为正）：解得：再计算风阻力对C点的弯矩。这里不采用参考论文评估风的力的大小。风阻力分为两个部分，一部分作用在主臂上，一部分作用在重物载荷上。作用在起重机主臂上的等效风应力Fw按下式计算：（N）； V代表风速(m/s)，A1表示主臂与折臂的上侧面积。作用在重物载荷上的等效风应力Fn按下式计算： （N）； A2表示重物的上侧面积。因此，风阻力的受力图可以用如下的示意图表示：据此可以列出风阻力对C点的弯矩方程（这里仅仅讨论了垂直方向的弯矩，之后会补充讨论参考论文所没有的水

4、平方向的弯矩）：解得：最后计算船舶运动引起的惯性力力矩，这部分的计算由于涉及专业实验数据测量所以直接使用参考论文的计算方法。 作用在支点C上的惯性力主要包括船舶运动引起的 CE段主臂的重力 Qq垂直于甲板的惯性力 Q1' 和船舶运动引起的重物载荷 QY 垂直于甲板的惯性力 Q2'。这两种惯性力都由下式计算：Q1(Q2)=0.8(动横摇+动纵摇)+静合成力式中：动横摇为船体横摇引起的垂直于甲板的惯性分力；动纵摇为船体纵摇引起的垂直于甲板的惯性分力；静合成力为静载荷垂直于甲板的惯性分力。动横摇Qh：式中： 为横摇角，由船舶设计建造时确定；y 为船体纵向中心线至起重机中心线平行于甲板

5、的横向距离；Tr为横摇周期；Qq为CE段主臂的重力，即F1+F2+F3。式中：B为型宽；GM为装载船舶的初稳性高度。 动纵摇：式中：为纵摇角，由船舶设计建造时确定；x 为纵摇运动中心至起重机中心线平行于甲板的纵向距离；TP为纵摇周期。其中： 静合成力： 根据载荷Q1和Q2的受力点可以绘制出两个载荷的受力图如下图所示：W为CE段主臂的重心，即为惯性力Q1的受力点。得到惯性力矩： 主臂强度校核： 主臂承受弯曲应力： W为抗弯截面系数，假设主臂界面为高h宽b的矩形，则W=bh2/6。下面给出实际数据进行计算：假设 ，吊起的重物为一个40尺开顶柜集装箱：内容积为12.01x2.33x2.15米，配货毛

6、重30.4吨，体积65立方米。主臂自重3吨，折臂自重1.5吨，折臂油缸0.2吨，g取9.8m/s2。据此可以计算出假设主臂的h=1.5m b=1.5m，折臂的h=0.8m,b=0.8m,当前为10级风状态，即风速v=29m/s。空气密度为1.29kg/m3。据此可以计算出Fw=24519N Fn=15179N 假设船的横摇角为10°，y=10m，Tr=5s，Qq=46060N，Qy=297920N，纵摇角，x=30m，Tp=1s 据此可以计算出动横摇Qh=12897N 动纵摇Qz=19345N 主臂的静合成力Q01=339803N 重物的静合成力Q02=588604N Q1=365597N Q2=614398N 则主臂承受弯曲应力：=789MPa下面分析主臂C点的侧向受力：C点侧向的弯矩主要由风的阻力Fcf和船瞬时加速时的惯性力FcQ引起。风阻力的等效受力点在W处，惯性力的等效受力点也近似位于W处。假设当前仍为10级风状态，即风速v=29m/s，则Fcf=24519N假设目前加速度为a=2m/s2，则主臂与重物总的惯性力为FcQ=69800N 则 则主臂承受的侧向弯曲应力：结论 主臂材料的选择既要满足强度要求，又要考虑材料对环境的适应性，实际应用中选用了Q345D钢，主臂内部加入肋