基于abaqus碳纤维复合材料船用起重臂的设计.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:作者简介:杜雷雨()男硕士研究生:.通信作者:邹强()男博士生导师副教授:.:./.基于 碳纤维复合材料船用起重臂的设计杜雷雨邹 强洪 亮(.南京理工大学 能源与动力工程学院 南京.海军工程大学 兵器学院 武汉)摘要:针对船用起重机特殊的工作场景对比分析不同起重臂截面的优劣性设计 种碳纤维复合材料起重臂 应用 有限元分析软件分别对 和 复合材料起重臂进行典型工况下的失效、挠度和起重臂截面的应力分析 仿真结果表明:和 起重臂每一层的最大 系数都远小于 各层都未发生失效且 的安全性要更高 种碳纤维起重臂相对于 和 壁厚 起重臂挠度提升分别在和以上而 对于 起重臂在挠度上的提升只有.碳纤维起重臂相对于 起重臂截面应力更小且过渡更为平缓关键词:碳纤维起重臂铺层 系数挠度分析本文引用格式:杜雷雨邹强洪亮.基于 碳纤维复合材料船用起重臂的设计.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:引言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 陈东等设计了一种基于 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 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 起重臂设计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、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 形是经过优化计算后最合理的截面 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 形截面上弯板为大圆角槽型弯板下弯板为 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 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综合考虑选用 形截面 起重臂尺寸图如图 所示图 起重臂尺寸图.碳纤维材料选择与铺层设计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 种碳纤维材料 和 进行对比分析选择适合本设计的碳纤维材料 种碳纤维材料的性能参数如表 所示 相较于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 材料较 强度提升 以上但材料的模量只是略高于 表 和 的性能参数 项目/./././().碳纤维材料装置的设计要考虑其复合材料的特性对其兵 器 装 备 工 程 学 报:/./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、和 最为常见铺层承受轴向载荷 铺层承受剪切荷载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 铺层的抗剪性能较差在没有 铺层时 系数较小因此不采用 铺层采用 铺层对抗侧向的风荷载和剪切载荷马泽超等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 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 而每一层 和 碳纤维布的厚度为.需要铺 层李进研究了 铺层数占总层数的关系发现随着铺层数与总层数比值 的增加节臂受到的最大剪切力逐渐减小但比值 的增加也将导致节臂末端的挠度增大在占比为 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 铺层 和采用 的比例铺层铺层方案如表 所示表 碳纤维复合材料铺层方案 材料铺层方式()()图 起重臂碳纤维复合材料铺层坐标系.约束和载荷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)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)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 中为添加 方向的重力加速度 )起重机的预设吊重为 另外将起重机末端重为 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 和垂直臂向下的力 分别为 .和.)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()式中:为风力系数查表取.为风压三级海况时为./为迎风面截面积)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图 起重臂受力分析图.结果分析.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 ()式中:、为应力空间的强度参数 当强度比大于 时表示材料失效小于 时为未失效且值越小则表示安全性越好对、两种材料的起重臂进行有限元分析得到 种材料每一层的 系数如图 所示 从图 中可以看出 种材料起重臂每一层的最大 系数都远小于 说明在此工况下各层都未发生失效且安全容量很高 此外种材料都为 层 碳纤维起重臂相对于 碳纤维起重臂在相同层的 系数都较高说明 碳纤维起重臂的安全性更好 另外可以看出 起重臂 铺层的最大 系数要大于 铺层 起重臂在前 层 铺层的最大 系数要大于 铺层之后便反了过来 种起重臂随着铺层层数的增加铺层最大 系数的增长速度比 铺层快而 的首层最大 系数数值较小所以会出现上述现象 其中 碳纤维起重臂 系数最大值在 层为.碳纤维起重臂 系数最大值在 层为.图、图 分别为 和最大 系数仿真结果图杜雷雨等:基于 碳纤维复合材料船用起重臂的设计图 和 碳纤维铺层层数与 系数.图 第 层 系数.图 第 层 系数.挠度分析传统钢制起重机多采用 作为起重臂材料对于小的起升质量臂架厚度多为 和 本章分别对 和 的 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.(/)()式中:为起重臂末端轴线方向的静位移为起重臂总长度 设计的起重臂长为 代入式()可知起重臂挠度极限为 图图 为 和 两种材料在轴线方向的位移图 可以看出、碳纤维起重臂在重力方向的位移分别为.和.起重臂壁厚分别为 和 时在重力方向的位移分别为.和.每种材料起重臂在 个工况下的挠度都小于挠度极限经过对比每种工况下 起重臂的挠度最小 起重臂次之随后为 的 起重臂 的 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 材料起重臂的抗弯曲能力与其厚度成正比关系总的来看 起重臂较 和 的 起重臂抗弯性能分别提高了.和.起重臂较 和 的 起重臂抗弯性能分别提高了.和.起重臂抗弯性能较 提高了.图 轴向方向位移图.图 轴向方向位移图.图 ()轴向方向位移图.()图 ()轴向方向位移图.()另外 碳纤维起重臂相对于壁厚 和 的 起重臂质量分别减轻了.和.碳纤维起重臂相对于壁厚 和 的 起重臂质量分别减轻了.和.由此可以看出碳纤维起重臂兵 器 装 备 工 程 学 报:/./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.应力分析碳纤维起重臂的应力分布是造成 系数分布的直接原因其单层的应力分布规律和 系数分布一致在此不对其单层应力分布做过多陈述提取 种材料起重臂在 平面的沿轴长方向的应力 如图 所示对比分析起重臂在截面上的应力规律 图 起重臂 截面图.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 种材料起重臂在 截面的应力如图 所示 可以看出:起重臂在只受 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 型截面下方主要受压应力其独特的结构导致底部 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 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 起重臂更为平缓图 种材料起重臂在 截面应力曲线.结论在本文中设计了 种碳纤维复合材料起重臂并运用 软件对 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 系数、整体位移和截面各单元的应力结果表明:)和 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 起重臂有明显的提升其轻量化更好 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 模量要远大于 影响挠度的为强度参数 种材料的强度参数相近 而 的成本又高于 选择材料时要综合考虑)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 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参考文献:韩广冬李航陈海泉等.基于 的船用起重机伸缩套管减摇装置的原理及运动仿真分析.机床与液压():.():.陈东唐峥杜思远.基于 总线的船用起重机自动定位控制系统设计.舰船科学技术():.():.孟进军陈卫东孙影等.轻质材料在工程起重机上的应用.建筑机械():.():.章崇任.浅谈俄罗斯随车起重机起重臂的优化升级.工程机械与维修():.():.马泽超胡业发冯正峰等.基于碳纤维复合材料轻木夹芯结构的起重机副臂架设计.复合材料科学与工程():.杜雷雨等:基于 碳纤维复合材料船用起重臂的设计 .():.中国工程机械商贸网.北方交通浅谈起重机臂体设计的优化与应用/.().:/./.第一工程机械网.北方交通汽车起重机“”形臂设计及其应用/.().:/./.吴道兴洪亮周超杰等.船用折臂起重机在波浪载荷下的动力学分析.兵器装备工程学报():.():.苏婷.吨汽车起重机伸缩臂截面的结构