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智能系泊缆钩的有限元分析

发布于:2018-04-26 19:48
有限元分析

       本研究的对象为一种安装在码头系缆桩上的具有测力功能的智能系泊缆钩,其基本形状如图所示。由于构造等原因,钩体外部采用折线形,而非常规弧线形。缆钩方向能够随着缆绳拉力而自由调整,缆钩内压力传感器能够精确测定缆钩所承受的缆绳拉力。为了能充分利用原有系缆桩,缆钩尺寸要求尽可能小,因此对这种缆钩进行有限元分析强度是必要的。由于缆钩强度主要考虑钩体部分,所以本研究仅针对钩体进行了有限元建模,而缆钩其它部分的尺寸则根据钩体大小以及布置等要求来确定。首先按照正交试验方法,对缆钩进行了有限元应力计算分析,找出了缆钩各设计参数对其应力影响的规律,然后以计算弧形钩体强度的基于弹性梁理论的公式为基础,对有限元计算结果进行了回归,得到了钩体最大应力计算的修正公式,从而为缆钩的优化设计奠定了基础。
       缆钩由CrMo钢锻造而成,可承受约50t载荷,其安全系数取2,采用第四强度理论,以密息斯屈服准则进行强度校核。缆钩可采用的截面形式主要有五种:圆形或椭圆形、梯形、矩形、三角形和“T”字型。从受力情况看,T字型截面最为合理,但由于制造复杂,很少采用;圆形及椭圆形截面仅用于小型吊钩;矩形截面比较笨重,其承载能力未能充分发挥;梯形截面由于分布相对合理,目前最为常用;三角形截面可看作梯形截面的特殊情况。
       对图所示的缆钩,按照码头使用条件、工艺要求以及系泊缆绳的粗细,用ANSYSApp对缆钩16种组合状态分别进行了最大应力计算。表为具体正交实验方案和ANSYS计算结果,表中的部分组合可能不符合缆钱设计基本原则,但为了遵循正交试验的要求和基本思想,同样也进行了计算。ANSYS是大型通用有限元计算App,它不仅提供与其它三维造型程序(如MDT,PRO/E,UG等)的接口,而且自身也具有非常强大的建模能力。对图中所示缆钩的钩体部分,充分利用该App“自底而上”的建模方法(由点及线,由线及面,由面及体),运用“蒙皮”技术以及该App提供的强大的布尔运算功能,建立缆钩有限元分析模型,如图所示,然后加上载荷和边界条件后求解,可分别算出16次试验缆钩的A点最大应力值,见表极差分析过程见表。
       根据因子各水平的平均值,可得到因子和指标的关系图,图中各点的高低相差程度反映了四因子(CB1,B2,H,D)各水平对最大应力的影响大小。点子高低相差大,则因子灵敏度高,为显著因子,反之则为不显著因子。从图可看出,四因子对缆钩最大应力的影响程度依次为B1>B>D。方差分析是将因子水平变化引起的试验结果间的差异,与误差波动所引起的试验结果间的差异区分开赤的一种数学方法。为了确定四因子(CBS,B2,H,D)对实验结果影响的显著程度,需对试验结果进行方差分析。方差的大小反映出该因素对实验指标均值的偏离程度。由计算可知,D和E很接近,因此可认定D的方差值不是由该因素的变化引起的,而是实验误差的一种反映,与实验误差来自于同一个样本总体,因此D可合并到实验误差中,若缆钩钩体下部外轮廓为弧形,则可根据曲线梁理论进行强度校核。但图中的缆钩外轮廓呈折线形,它改变了钩身应力分布,如仍按曲线梁理论得出的公式进行应力计算,则需适当修正。
       经分析认为钩身形状的变化主要对AA截面高度H产生影响。现假设:本研究采用修订公式对一些特种缆钩进行了最大应力计算,并与ANSYS计算结果作了比较。由比较结果可见,修订公式能够满足此种缆钩在表选定的尺寸变化范围内工程设计的需要,因此可以认为关于等效截面高度的假定是可以成立的,回归公式的选用也是合理的。
       对于类似图中的大负荷高强度缆钩,取梯形截面较为合理,最大应力发生于AA截面的内侧A点,截面高度H与截面外侧宽度B1对缆钩强度有着显著影响,截面内侧宽度B次之。本研究针对这种外轮廓形状的缆钩,修订了计算应力的曲线梁计算公式,计算精度能够满足工程计算的需要。对于选定范围内此种缆钩的设计与优化有一定的参考价值。


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