DOI: 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2019. 12. 002
张永康，赖柏豪，林超辉，等.1000t大型海工绕桩式起重机吊臂轻量化设计与优化分析［J］.机电工程技术，2019，48（12）：5-8.
基金项目：国家自然科学基金联合基金项目（编号：U1608259）；国家重点研发计划项目（编号：2016YFB1102600）；国防重点实验室基金项目（编号：614220206020617）
1 000 t 大型海工绕桩式起重机吊臂轻量化设计与优化分析*
张永康1，赖柏豪1，林超辉1，关德壮2，朱小龙2，朱然1，吴建2
（1.广东工业大学机电工程学院， 广州510006；2.南通润邦重机有限公司， 江苏南通226003）
摘要：吊臂是起重机的最主要承载构件之一，吊臂的分析研究对于起重机的结构优化起着重要作用。以研制的1 000 t大型海工绕桩式起重机吊臂为研究对象，建立了数学模型和三维实体模型，优化了吊臂的设计结构。通过软件Ansys Workbench对吊臂结构的全伸臂工况进行有限元分析，得到相应的应力云图，验证了优化后的吊臂满足使用强度要求。
关键词：起重机吊臂；轻量化；结构优化设计；有限元分析；大型海工装备
中图分类号：TB301 文献标志码：A
文章编号：1009－9492 ( 2019 ) 12－0005－04
Lightweight Design and Optimization Analysis of 1 000 t Large Marine Winding Pile Crane Boom
ZHANG Yongkang1，LAI Bohao1，LIN Chaohui1，GUAN Dezhuang2，ZHU Xiaolong2，ZHU Ran1，WU Jian2
（1. School of Electromechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China；2. Nantong Rainbow Heavy Machineries Co.， Ltd.，Nantong，Jiangsu 226003，China）
Abstract: The boom is one of the most important bearing components of the crane. Through the boom hoisting， the crane can achieve large height and large scale operation. The analysis and research of the boom plays an important role in the structural optimization of the crane. Taking 1 000 t large marine crane boom as the main research object， the theoretical mathematical model was constructed， the three-dimensional solid model was established based on AutoCAD software. The finite element analysis of the full extension arm condition of the boom structure was carried out with the help of the software Ansys Workbench， and the corresponding stress and displacement cloud pictures are obtained， and the static analysis results and the foundation satisfying its strength were obtained. On the basis of the optimization goal of minimizing the mass， the structure of the boom was optimized， which provided the necessary reference for the improvement and optimization of the structure.
Key words: crane boom； lightweight； structural optimization design； finite element analysis； large marine equipment
引言
大型海工绕桩式吊机吊臂自重对起重能力和能耗都有着直接的影响，减轻吊臂自重不仅节省原材料，而且减轻机构负荷和吊臂造价。因此，在满足各项技术指标的前提下，对吊臂进行轻量化设计与优化至关重要。
吊臂是大型海工绕桩吊机的核心部件，结构轻量化优化设计是关键技术［1-8］。大型海工起重机轻量化产品在国外已经相当普遍，如荷兰的GustoMSC、Huisman，德国的利勃海尔，芬兰的MacGREGOR ，挪威的TTS等企业。国内通常采用许用应力设计法，安全系数往往偏大，导致起重机吊臂自重普遍比国外的高出20％～50％ ，消耗了过多的能源和工程材料［9］。2005年以来，我国不少学者相继从理论角度和仿真优化分析工具软件等入手，对起重机吊臂进行了优化设计与分析研究，取得了一定的成果，缩小了与国外先进国家的差距[10-14]。
本文以南通润邦重机有限公司研制的1 000ｔ大型海工绕桩式起重机（图1） 吊臂为研究对象，采用Ansys Workbench对吊臂结构的全伸臂工况进行有限元分析、优化设计与校核，在确保结构强度、刚度及疲劳寿命的前提下使结构重量最轻，目前尚未见相关研究报道。
结束语
本文以质量最小化为优化目标，对1 000 t大型海工绕桩式起重机吊臂结构进行优化分析，构建数学模型，通过计算达到吊臂轻量化的目的。在此基础上，重点讨论了Ansys Workbench在起重机吊臂结构全伸臂工况的有限元分析中的应用。通过合理简化了吊臂结构，完成了吊臂结构从几何建模、网格划分到施加边界条件的有限元建模过程，最终获得了起重机吊臂在全伸臂工况下的VON MISE应力图，验证了轻量化后的吊臂满足使用强度要求。这为绕桩吊机研制提供了重要的依据。