第２９卷第３期２００７年６月
舰船科学技术
ＳＨＩＰＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖ０１．２９．Ｎｏ．３
Ｊｕｎ．。２００７
文章编号：１６７２—７６４９（２００７）０３一０１３７—０３
１９５００吨干货船多块折叠式舱口盖举臂
结构有限元分析
赵永生１，顾敏童１，周庆华２
（１．上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海２０００３０；
２．德瑞斯华海船舶设备有限公司，上海２０００９３）
摘要：通过运用ｕＧ、Ｍｓｃ．Ｐａｔｒａｎ／Ｎａｓｔｒａｎ以及Ｍｓｃ．Ａｄａｍｓ软件，对１９５００ｔ干货船多块折叠式舱口盖的举臂结构进行了有限元分析。计算所得结果与试验结果相当吻合，表明研究分析方法正确，计算模型合理。本文的分析结果可为举臂结构设计提供理论依据。
关键词：多块折叠式舱口盖；举臂；Ｍｓｃ．Ｐａｔｒａｎ／Ｎａｓｔｍｎ；Ｍｓｃ．Ａｄａｍｓ；ｕＧ建模
中图分类号：ｕ６６２．９文献标识码：Ａ
Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｔｈｅｍｕｌｔｉ－ｆｏＭｉｎｇｈａｔｃｈｃｏＶｅｒ’ｓｈｙｄｒａｕｌｉｃａｒｍ
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Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢｙｕｓｉｎｇＵＧ、ＭＳＣ．Ｐａｔｒａｎ／ＮａｓｔｒａｎａｎｄＭＳＣ．Ａｄａｍｓ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｃａｒ“ｅｓｏｕｔｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅ—ｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｔｈｅｍｕｔｉ．ｆ０１ｄｉｎｇｈａｔｃｈｃｏｖｅｒ’ｓｈｙｄｒａｕｌｉｃａｒｍｏｆｔｈｅ１９５００ｔＧｅｎｅｒａｌＣａｒｇｏＣａｒｒｉｅｒ．ＴｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｓｔｒｅｓｓｔｅｓｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓａｎｄＦＥＡｒｅｓｕｌｔｓｈａｓａｇｏｏｄａｇｒｅｅｍｅｎｔａｎｄｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｍｅｔｈｏｄｉｓｃｏｒｒｅｃｔａｎｄｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｄｍｏｄｅｌｉｓａｌｓｏｒｅａｓｏｎａｂｌｅ．Ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｃｏｕｌｄｂｅｒｅ—ｇａｒｄａｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｉｎｇｒｅｆｂｒｅｎｃｅｆｂｒｔｈｅｓｔＩｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃ
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０引言
１９５００ｔ干货船由上海爱德华船厂建造，该船２个货舱的舱口盖为德瑞斯华海船舶设备有限公司为其设计开发的２组６块折叠式舱口盖。该型折叠式舱盖由３组外置式液压油缸通过１组端铰臂和２组举臂驱动开启，具有收藏空间小、开启时间短等优点，适宜装载各种甲板货、集装箱等…。其中，２组举臂受力较为复杂，是主要的传力构件，其强度好坏关系到整个系统的使用安全性。因此，需要对举臂进行较为准确的有限元分析以辅助结构设计。
本文选取受力相对较大的Ａ型举臂为研究对象，首先对已建立的多块折叠式舱口盖虚拟样机（图１）在Ｍｓｃ．Ａｄａｍｓ中进行了仿真分析，得到了Ａ型举臂在不同旋转角度下的动态接触力曲线和接触点位置旧１；然后，选取了接触力曲线中若干关键点作为有限元分析的外载荷；最后，在Ｍｓｃ．Ｐａｔｒａｎ／Ｎａｓｔｒａｎ中完成有限元分析，得到了计算结果。通过计算值与试验值的比较表明，该计算模型合理，外载荷预测准确，计算结果与试验结果符合性较好。
１举臂有限元模型建立及分析
收稿日期：２００６—０４—２６
作者简介：赵永生（１９８３一），男，硕士研究生，主要研究方向为船舶局部结构仿真分析和强度计算。
?１３８?舰船科学技术第２９卷
图１ＡＤＡＭｓ环境下的多块折叠式舱口盖虚拟样机
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１．１几何模型
举臂结构首先在ｕＧ软件中完成几何建模（图２），然后以Ｐａｒａｓｏｌｉｄ格式将几何模型导入Ｍｓｃ．Ｐａｔ—ｒａｎ中¨。。举臂的主体框架由顶板、底板、侧板等焊接而成，在框架的不同位置焊有５块加强筋板。举臂的末端通过端铰链和甲板上的端铰链支座相连，中部通过铰链和油缸相连。当油缸推动举臂开启舱盖时，举臂滚轮始终在导板上运动，不同旋转角度时滚轮位置亦不同。
图２举臂的三维几何模型
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１．２材料特性参数及网格划分
举臂结构使用的材料为Ｈ３６高强度钢，故弹性模量取Ｅ＝２．０９Ｅ＋ｌｌＰａ；泊松比肛＝０．３；材料密度取ｐ＝７８５０ｋｇ／瑚３。整个举臂结构按面单元建模，采用四边形网格单元（Ｑｕａｄ４）划分举臂，并允许四边形单元中插入个别三角形单元以填补缝隙。
１。３计算工况及载荷的处理
举臂在开启舱盖过程中的外载荷为主要的油缸推力、与举臂滚轮的接触作用力和自重。计算工况取以下２种情况：
１）当举臂与举臂滚轮刚接触时，假设滚轮处和端铰链处为固定支点（限制沿３个坐标轴方向的位移（ｕ，ｙ，形）及绕ｘ，ｙ轴的转角），油缸推力取最大值５５０ｋＮ（在２８ＭＰａ的工作压力下）。此时实际上模
拟舱盖在特殊情况下一旦被卡住，还需要保证举臂结构的安全。
２）舱盖正常开启时，主要受接触作用力和自重作用，限制与端铰链处沿３个坐标轴方向的位移（ｕ，ｙ，形）及绕ｘ，ｌ，轴的转角；由于油缸与举臂通过球形铰连接，因而该铰接处只限制沿３个坐标轴方向的位移（ｕ，ｙ，形），不限制转角卜。。通过在ＭＳＣ．Ａｄａｍｓ中对舱盖的开启过程进行仿真分析，得到了接触力曲线，如图３所示。该曲线反映了举臂在不同旋转位置时所受的动态接触力，有限元计算时从该曲线上选取了若干个峰值点作为计算点，举臂自重约为３２００ｋｇ。举臂有限元模型的约束及外载荷施加示意图如图４所示，图中外载荷序号对应的接触力大小及其作用位置见表１。
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图３接触力曲线
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图４有限元模型约束及载荷工况
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表１接触力值及作用点
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１．４计算结果
对举臂有限元模型，在ＭＳｃ．Ｐａｔｒａｎ／Ｎａｓｔｒａｎ软件中分别对２种工况进行了计算。对于计算工况（１），最大的ＶｏｎＭｉｓｅｓ应力约为一３０５
ＭＰａ，出现在底板
第３期
赵永生，等：１９５００ｔ干货船多块折叠式舱口盖举臂结构有限元分析
?１３９?
靠近油缸铰链处的变截面区域，端部最大位移约为
６８
ｍｍ。对于计算工况（２），依照表１对举臂在不同
旋转位置进行了计算。经过分析比较计算结果得知：当举臂从起始位置开始，旋转了２４。左右时举臂结构的位移、应力数值最大。如图５所示，在顶板和底板的变截面处（靠近油缸铰链轴座）存在一个高应力区域，最大应力分别为２５８ＭＰａ和一２１９ＭＰａ，最大位移约为５２ｍｍ，应力的大小基本满足设计要求。
图５举臂中段部分应力云图
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２
有限元计算与试验的对比分析
为了验证有限元计算结果，在舱盖调试过程中，
使用了ＤＨ５９３２动态应变测试系统对举臂结构进行了动态应力一应变测试。在Ａ型举臂上共布置了３个单项应变片，依次为３、４、５测点，粘贴位置如图６所示。有限元计算结果与实测结果比较如图７、８、９所示，最大相对误差约５．７％，曲线变化趋势相近，表明计算结果可靠。
举臂上测点位置示意图
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本文通过综合应用多体动力学软件Ｍｓｃ．Ａｄ—ａｍｓ、有限元软件ＭＳＣ．Ｐａｔｒａｎ／Ｎａｓｔｒａｎ以及三维建模软件ｕＧ对举臂结构进行了有限元分析。有限元计
图７测点３应力试验值与有限元计算值对比
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图８测点４应力试验值与有限元计算值对比
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图９测点５应力试验值与有限元计算值对比
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５
算值与现场试验测量值相当符合，表明该方法外载荷曲线预测准确，整个模型较好地反映了结构的实际传力情况，真实模拟了举臂结构的实际刚度，故采用本文的研究方法进行计算可以获得令人满意的结果。参考文献：
［１］
朱德龙．现代货船舱口盖发展特点综述［Ｍ］．德瑞斯华海船用设备有限公司．
［２］
郑建荣．ＡＤＡＭｓ一虚拟样机技术入门与提高［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００２．
［３］
马爱军，周传月，王旭．Ｐａｔｒａｎ和Ｎａｓｔｒａｎ有限元分析专业教程［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００５．
［４］
周志革，等．液压挖掘机动臂结构分析［Ａ］．Ｍｓｃ．ｓｏｆｔ－ｗａｒｅ中国用户论文集［ｃ］，２００４．
６
６
图瞻
语
结
３
19500吨干货船多块折叠式舱口盖举臂结构有限元分析
作者：赵永生， 顾敏童， 周庆华， ZHAO Yong-sheng， GU Min-tong， ZHOU Qing-hua
作者单位：赵永生,顾敏童,ZHAO Yong-sheng,GU Min-tong(上海交通大学,船舶海洋与建筑工程学院,上海,200030)， 周庆华,ZHOU Qing-hua(德瑞斯华海船舶设备有限公司,上海,200093)
刊名：
舰船科学技术
英文刊名：SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY
年，卷(期)：2007，29(3)
被引用次数：0次
参考文献(4条)
1.朱德龙现代货船舱口盖发展特点综述
2.郑建荣ADAMS-虚拟样机技术入门与提高 2002
3.马爱军.周传月.王旭Patran和Nastran有限元分析专业教程 2005
4.周志革液压挖掘机动臂结构分析 2004
相似文献(2条)
1.期刊论文赵永生.顾敏童.周庆华.ZHAO Yong-sheng.GU Min-tong.ZHOU Qing-hua19500dwt货船多块折叠式舱口
盖动力学仿真分析-船舶工程2007,29(2)
在对19500dwt货船多块折叠式舱口盖进行合理简化后,应用三维建模软件UG和多体动力学软件ADAMS对其进行了虚拟样机建模和动力学分析.为了获得样机的各种动态性能,重点考查了舱口盖开启过程中的油缸推力、铰链点受力以及举臂受力的变化情况,并对油缸工作时的推力进行了现场实测.分析结果可作为新型多块折叠式舱口盖的设计参考,根据需要,可以用所建的虚拟样机进行更加深入的分析.
2.学位论文赵永生多用途船六块折叠式舱口盖机械动力学仿真分析2006
本文以19500dwt 多用途船六块折叠式舱口盖为研究对象，探索运用虚拟样机技术研究六块折叠式舱口盖开启过程中的动态性能。
首先，在对六块折叠式舱口盖结构进行合理简化后，应用UG 软件建立了主要部件的几何模型。然后，将CAD几何模型导入多体动力学仿真分析软件MSC.ADAMS 中进行部件约束和总体装配，完成了舱口盖虚拟样机的建模；通过对虚拟样机进行动力学仿真分析，得到了舱口盖开启过程中关键部件的动态参数；最后，综合应用UG、ADAMS 和MSC.Patran/Nastran三种软件平台对受力情况比较复杂的举臂结构和STOP装置实现了协同建模和有限元分析。
在舱盖实船调试过程中，使用数字式压力表和DH5932动态应变测试系统分别对三组油缸的工作压力、举臂和STOP装置上关键点的动态应力进行了测试。计算结果与测量结果趋势相似、数值相近。其中，油缸推力最大相对误差约8％，举臂结构应力的最大误差约5％，以上结果表明本文所采用的分析方法正确，建立的虚拟样机合理。本文得出的计算结果可为日后设计、开发新型多块折叠式舱口盖提供参考，所建的虚拟样机可以根据需要进行更深入的分析。
本文链接：https://www.doczj.com/doc/4715382957.html,/Periodical_jckxjs200703036.aspx
授权使用：武汉理工大学(whlgdx)，授权号：7495d88e-21a5-4bc6-821f-9df80188faeb
下载时间：2010年9月21日