[发明专利]一种下水式升船机主提升机大型卷筒组强度和刚度的有限元计算方法

权利要求书

1.一种下水式升船机主提升机大型卷筒组强度和刚度的有限元计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据下水式升船机主提升机卷筒组各部件的连接特征，建立卷筒组结构系统的整体有限元模型；

根据卷筒组设备结构和装配的特点，采用综合考虑结构特征与力学原理并结合现场实测数据的方式，确定卷筒结构-卷筒轴-制动盘的边界条件和连接条件；

根据升船机运行特征，确定载荷工况及相应的计算性能参数、钢丝绳载荷；

在所述整体有限元模型上施加卷筒结构-卷筒轴-制动盘的边界条件和连接条件，并根据载荷工况，在所述整体有限元模型上施加对应的钢丝绳载荷，采用有限元方法对所述整体有限元模型进行计算，根据有限元计算结果，校核卷筒组结构系统的强度和刚度；

所述卷筒结构-卷筒轴-制动盘的边界条件和连接条件是根据卷筒组设备结构和装配的特点，采用综合考虑结构特征与力学原理并结合现场实测数据的方式，确定如下：

①边界条件：定义靠近制动盘侧的轴端与轴承中面的交截面的下半部分周线为固定约束周线，规定固定约束周线X、Y、Z三向位移为零，其中下半部分周线包括下半圆周和水平中线；定义靠近减速器侧的轴端与轴承中面的交截面的下半部分周线为接触约束周线，规定接触约束周线X、Z三向位移为零，其中下半部分周线包括下半圆周和水平轴线；

②卷筒与卷筒轴连接条件：靠近制动盘侧的卷筒轮毂内孔与对应轴段的配合圆柱表面为把绑定连接，该配合圆柱面满足筒体轮毂和配合轴段位移连续条件；靠近减速器侧的卷筒轮毂内孔与对应轴段的配合圆柱表面为接触连接，该配合圆柱面可发生相对位移；

③卷筒与制动盘的连接条件为绑定连接。

2.根据权利要求1所述的下水式升船机主提升机大型卷筒组强度和刚度的有限元计算方法，其特征在于：所述卷筒组结构系统的整体有限元模型是将卷筒结构-卷筒轴和制动盘作为一个有机整体考虑，建立卷筒组结构系统的整体有限元模型，有限元模型包含下水式升船机主提升机卷筒组中的卷筒结构、卷筒轴、制动盘、花键套和剪力销，其中筒体由带绳槽的壳体、板梁和轮毂块体结构组合而成，制动盘为圆环形薄壁结构，卷筒轴为阶梯型圆柱实体结构，花键套和剪力销均为连接件，所有部件都采用三维实体进行模拟，网格采用六面体网格。

3.根据权利要求1所述的下水式升船机主提升机大型卷筒组强度和刚度的有限元计算方法，其特征在于：所述载荷工况及相应的计算性能参数与下水式钢丝绳卷扬式升船机运行特点相符合，选取升船机一次正常升降工况循环中船厢位于最高位LC1和船厢位于最低位LC2及对接水满厢事故工况LC3：①正常升降工况LC1下卷筒组静强度、卷筒轴挠度、制动盘轴向弹性位移分布计算：船厢正常升降且考虑最大允许误载水深，船厢处于最高位置；②正常升降工况LC1和LC2下卷筒焊缝疲劳强度计算：船厢正常升降且考虑最大允许误载水深，船厢处于最高位置和最低位置，分别计算卷筒应力分布，并确定一个工作循环应力最大变化范围发生的部位和最大应力变化范围值；③事故工况LC3卷筒组静强度计算：船厢对接时水体充满船厢，船厢在空气中处于最高位置，计算卷筒组各部件最大应力。

4.根据权利要求1所述的下水式升船机主提升机大型卷筒组强度和刚度的有限元计算方法，其特征在于：所述钢丝绳载荷的大小和位置根据钢丝绳的缠绕方式和具体工况下的受载情况确定，并细分为工作圈、安全圈和出绳圈荷载，工作圈和安全圈在卷筒上整圈分布，出绳圈在卷筒上半圈分布，采用欧拉公式计算钢丝绳载荷，工作圈上的面荷载按照式(1)计算，第n个安全圈上的面荷载按照式(2)计算，出绳圈上的面荷载按照式(3)计算：

q_θ＝q_we^-2μπμ                              (2)

式中，T_w为单根提升绳或转矩平衡绳的张力；R_d为卷筒名义半径，b_r为单根钢丝绳承载宽度，μ为卷筒安全圈钢丝绳与卷筒绳槽之间的摩擦系数，T_L为提升绳的张力，T_q为转矩平衡绳的张力。

5.根据权利要求1所述的下水式升船机主提升机大型卷筒组强度和刚度的有限元计算方法，其特征在于：采用最大应力幅法计算卷筒结构焊缝疲劳强度，具体计算方法为：通过船厢在最高位置和最低位置两个典型位置卷筒应力的计算，确定卷筒结构焊缝的应力最大变化范围△σ及其发生部位；根据欧洲3规范按公式(4)计算卷筒结构焊缝的疲劳强度容许值：

式中，△σ_c为焊缝部位的疲劳抗力值；γ_Mf为安全系数；N为升船机整个服役期间卷筒的设计转动总次数；m为疲劳抗力曲线梯度，当N5×10⁶时，m＝3；当N5×10⁶时，m＝5；

根据焊缝疲劳强度校核条件△σ≤△σ_Rd校核卷筒的疲劳强度。