基于abaqus碳纤维复合材料船用起重臂的设计.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
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