造船起重机

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图 2 大型造船门式起重机
3．2 主要金属结构材料的选用 造船门式起重机的载重量大、跨度大，为了减少结构自重、
提高结构的承载能力，主结构一般选用高强度结构钢。 常用的高强度结构钢为Q345 或高强度船用钢板DH32（GB712
－88）（注：中国船级社标注为ZCD32）。Q345 根据环境温度不同， 分为B、C、D、E等级别，其屈服强度因板厚而异；如板厚不大于 16mm时，屈服强度不小于 345N/mm2。DH32 钢板的屈服强度不小于 315N/mm2，抗拉强度 440～590N/mm2，伸长率 22％。
3．4 计算载荷 [根据《起重机设计规范》（GB3811－83）] 1）起升载荷 PQ ⋅ ϕ2 ϕ 2 为起升载荷动载系数，其计算公式为
ϕ2 =1+c⋅v =
1 δ ⋅ g(λ0 + y0)
式中 c——操作系数；
v——额定起升速度；
λ0——在额定载荷作用下，下滑轮组对上滑轮组的位 移量,λ0≈0.0029H，H──起升高度；
300t×116m 2 龙门起重机 2×170/180 116 58/13 1997 年 1998 年 南通中远川崎
200t×42m
3 龙门起重机 2×80/100
42
30 1997 年 1998 年 大连造船厂
200t×65m
4 龙门起重机 2×80/100
65
55/6 1998 年 2000 年 马尾造船厂
2
先后设计成功 18 种不同规格的大型造船门式起重机（见表 1）。
表 1 九院近十年设计的大型门式起重机一览
跨 起升
序
起重量(t)
设计 竣工
号
项目名称
度
上小车/下小车
高度
时间
时间
(m) (m)
使用单位
480t×122m 1 龙门起重机 2×160/200 122 75/9 1996 年 1998 年 渤海造船厂
该类起重机是通过配备两套起升机构的上小车和一套起升机构 的下小车的配合，来实现船体分段的翻身作业。首先，通过吊钩的升
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降调整，使整个分段都由上小车来承受（见图 1－1），卸了载的下小 车从上小车下穿过，吊钩则重新系在分段的另一侧（见图 1－2），这 时，上小车放下吊钩，同时上、下小车继续逆向而驶，从而实现分段 的翻身（见图 1－3）。
480 吨和 300 吨造船门式起重机的设计，均获得中国船舶工业集 团公司优秀工程设计一等奖，另外，300 吨造船门式起重机的设计还 获得上海市科技进步三等奖。
3 CAE 技术在起重机金属结构设计中的应用
3．1 起重机主要金属结构组成 起重机主要金属结构由主梁、刚性腿和柔性腿组成（见图 2），
其中，主梁与刚性腿之间采用高强度螺栓或焊接连接形式，主梁 与柔性腿之间采用柔性铰连接。
3）运行载荷 ( P G + P Q ) ⋅ ϕ 4 ϕ4 为运行冲击系数，其计算公式为
ϕ 4＝1.10 + 0.058v h
式中 h──轨道接缝处二轨道面高低差（单位：mm）；
v──运行速度（单位：m/s）。
4）水平惯性载荷 PH 本机水平惯性载荷分为上小车水平惯性载荷、下小车
水平惯性载荷和大车水平惯性载荷。 PG＝1.5ma ,式中，m 为质量，a 为加速度。
图 1－1
图 1－2
图 1－3
图 1 起重机分段翻身作业示意图
2 中船九院在大型造船门式起重机的设计成果
中船九院在 20 世纪 70 年代初就开始对造船门式起重机进行研 究，收集了大量国外资料，并在 70 年代，就设计过多台起重量为 100 吨、跨度不等的单梁或双梁造船门式起重机，用于江南造船厂、天津 新港船厂等工厂；在 80 年代，九院协助大连造船新厂，先从德国引 进了 750t×76m 二手门式起重机，成功地改造成为 580t×102m 门式 起重机，之后又从美国引进了由德国 KRUPP 公司建造的 900t× 205.74m 二手门式起重机，成功地改造成为 900t×182m 门式起重机； 在 90 年代，随着我国造船事业的迅猛发展，中船九院抓住了机遇，
1 大型造船门式起重机概述
目前，国内造船模式趋向于大分段建造方式，目的主要是为了缩 短船坞（船台）的使用周期，提高船坞（船台）的利用率，即分段在 船体车间预制，通过平移设备（如重型平板车等），将经过涂装处理 的分段移至船坞（船台）侧的分段堆场，然后再用起重设备将预制分 段吊运至船坞（船台）中，进行船体总装焊接。
600t×126m 5 龙门起重机 2×200/200 126 58/13 2000 年 2001 年 靖江造船厂
200t×68m 6 龙门起重机 2×100/120 68 42/12 2000 年 2001 年 文冲船厂
600t×170m 7 龙门起重机 2×300/350 170 76/12 2000 年 2002 年 沪东中华B P’ A P2）计算果图 7 局部分析力学模型
整体应力分析结果（如图 8）。
图 8 整体应力分析结果 11
局部屈曲分析结果（如图 9）
图 9 局部屈曲分析结果
4 关于起重机设计和 CAE 技术应用的进一步探索
3．3 主要金属结构的形式 1）主梁 主要采用梯形双梁结构（见图 3）。截面由上翼缘板、下翼缘
板、腹板组成。
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图 3 主梁截面示意图
根据主梁结构实际受力情况，翼缘板和腹板的厚度设置有其 特点。对于上翼缘板，沿主梁宽度方向，采用厚度为δ1和δ2的板， 其中，沿主梁长度方向，轨道下的上翼缘板为等板厚δ1，而中间 部分的翼缘板δ2则为厚度不等的板，跨中厚，两侧渐薄。下翼缘 板采用双板叠加型式，即δ＝δ3＋δ4，沿主梁长度方向δ3、δ4为 不同板厚。腹板沿梁高方向也采用不同板厚组合而成，上下两端 的板较厚，中间渐薄。
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y0——在额定载荷作用下，物品悬挂处的结构静变位 值（单位：m）；
δ——结构质量影响系数；
δ = 1 + m1 ( y0 )2 m2 y0 + λ0
m1——物品悬挂处的折算质量（单位：kg）；
m2——额定起升质量（单位：kg）。
2）自重载荷 PG • ϕ1
起升冲击系数 0.9 ≤ ϕ1 ≤ 1.1。
图 6 整体分析的有限元力学模型
局部建模主要是对高腹板主梁作局部轮压下的屈曲分析。方 法是在主梁结构跨中截取一段出来，对面板、隔板采用板单元或 壳单元，对截面内的撑杆采用梁单元，建出板梁组合的详细的模
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型，从微观角度分析应力场分布情况（如图 7），在主梁上截取 AB 段为研究对象，以相邻的横向筋为一跨，一般截取 3～5 跨进行分 析，假定 A、B 两截面为刚性平面，即 A、B 两截面上的所有节点 始终处在各自的平面内，两平面均围绕各自的形心 P、P′而变化， 则在整体分析中，A、B 两点处的变位数值可作为局部建模时分段 结构的边界条件。
200t×72m
8 龙门起重机 2×75/120
72
55 2001 年 2002 年 口岸造船厂
400t×72m 9 龙门起重机 2×160/200 72
51 2002 年 待定 广船国际
300t×72m 10 龙门起重机 2×150/180 55
44 2003 年 2004 年 外高桥船厂
200t×131m 11 龙门起重机
上海长兴 造船基地
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其中，在 1996 年 12 月和 1997 年 3 月，九院分别完成了 480 吨 和 300 吨两台造船门式起重机设计。在设计中，对于起重机金属结构 计算，首次采用 ANSYS 软件进行结构分析，彻底改变了以往传统的手 工计算方法，既提高了设计效率，又提高了计算精度，使得大型门式 起重机系列化设计成为可能。这二台起重机的设计，标志着中船九院 起重机设计进入了一个新的阶段，填补了我国大跨度大吨位造船门式 起重机自行设计的空白，也是中船九院为我国造船事业发展作出的贡 献。
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截面惯性矩。 3）柔性腿 柔性腿由上接头、撑杆和下横梁三部分组成，相互间由法兰
通过高强度螺栓连接，组成一个三角形刚架结构（见图 5 示）。柔 性腿上接头通过柔性铰与主梁连接，撑杆为筒状结构，下横梁为 箱形结构，与撑杆连接处构造采用天圆地方形式。
上接头
撑杆
下横梁
图 4 刚性腿示意图
图 5 柔性腿示意图
2×55/100
60/13
131
2004 年 2005 年 北海造船厂
52/13
300t×70m 12 龙门起重机 2×100/120 70 60/60 2004 年 待定 大连造船厂
500t×113m 13 龙门起重机 2×160/250 113
72/8 2004 年 待定
浙江造船厂
300t×85m 14 龙门起重机 2×100/150 85 50/50 2005 年 待定
5）风载荷PW
PW = CK h qA
式中，C——风力系数，与结构的体型、尺寸有关；
Kh——风压高度变化系数，工作状态Kh＝1； q——为风压；
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A——结构和物品的迎风面积。 6）起重机偏斜运行时对龙门结构所产生的附加载荷
一般偏斜控制值△L＝5‰ 7）地震载荷 由于起重机的重要性，计算时考虑了地震载荷。载荷数据参 考日本工业规范 JISB8821－1976《起重机钢结构部分计算标准》 中“对运行起重机、固定式起重机均按 20％自重的水平载荷考虑。 但不考虑用钢丝绳悬吊的物品的水平载荷”。 8）热影响分析 应分两种情况进行分析。第一种情况为环境温度的变化对钢 结构的影响。在 DIN 标准中，一般假定－25℃和＋45℃作为室外 温度变化的界限，在强度计算时，以＋10℃作为施工时的气温， 按照±35℃的温度变化来进行计算，分析温度变化对门架金属结 构应力和应变的影响。 第二种情况为日照对钢结构的影响。由于日照角度的不同， 结构同一截面的光照面与背光面的钢板表面温度有差异而会造成 结构的变形。在日照影响分析时，假定温度场变化呈线性，对于 单个杆件的不均匀传热，一般考虑温差为 15℃。