CAE 技术在大型造船门式起重机
金属结构设计中的应用
中船第九设计研究院 朱云龙 何先凡
摘要：随着CAE 技术的日渐成熟，中船第九设计研究院将该技术运用于大型造船门
式起重机金属结构的设计，并取得了丰硕的成果，在此基础上正准备对起重机金属结构的进一步优化、驾驶室的人性化设计等课题进行探索。
叙词：CAE 门式起重机 金属结构 设计 应用
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。
在我国的船厂中，船坞（船台）侧配置的起重设备常见的是门座起重机，而近十年来，随着造船的大型化发展趋势，造船门式起重机的需求急剧增长。与传统门座起重机相比，大型造船门式起重机对船体分段的安装和运输具有明显的优势，横跨在船坞（船台）上的起重机，能在覆盖船坞（船台）的平面内为装配现场服务，不仅具有升降、平移功能，而且可以实施船体分段的空中翻身，把分段调节到船体所需的焊接位置。
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
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）。
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，
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
序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
项目名称 480t×122m
龙门起重机 300t×116m 龙门起重机 200t×42m 龙门起重机 200t×65m 龙门起重机 600t×126m 龙门起重机 200t×68m 龙门起重机 600t×170m 龙门起重机 200t×72m 龙门起重机 400t×72m 龙门起重机 300t×72m 龙门起重机 200t×131m 龙门起重机 300t×70m 龙门起重机 500t×113m 龙门起重机 300t×85m 龙门起重机 300t×88m 龙门起重机 300t×72m 龙门起重机 600t×172m 龙门起重机 600t×187m 龙门起重机
起重量(t)
上小车/下小车
跨 度 (m) 122 116 42 65 126 68 170 72 72 55 131 70 113 85 88 72 172 187
起升 高度 (m) 75/9
设计 时间 1996年
竣工 时间
使用单位
2×160/200 2×170/180 2×80/100 2×80/100 2×200/200 2×100/120 2×300/350 2×75/120 2×160/200 2×150/180 2×55/100 2×100/120 2×160/250 2×100/150 2×100/150 2×150/180 2×300/350 2×300/350
1998年 渤海造船厂 1998年 南通中远川崎1998年 大连造船厂 2000年 马尾造船厂 2001年 靖江造船厂 2001年 2002年
文冲船厂 沪东中华
58/13 1997年30 55/6
1997年1998年
58/13 2000年42/12 2000年76/12 2000年55 51 44 60/13 52/13
2001年2002年2003年2004年
2002年 口岸造船厂 待定
广船国际
2004年 外高桥船厂 2005年 北海造船厂 待定 待定 待定 待定 待定 待定 待定
上海长兴 造船基地 大连造船厂 浙江造船厂 浙江欧华 广州江门
60/60 2004年72/8
2004年
50/50 2005年55/55 2005年45/45 2005年76/12 2005年76/12 2005年
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。
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。
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/mm。DH32钢板的屈服强度不小于315N/mm，抗拉强度440～590N/mm，伸长率22％。
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。
2
22
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。下翼缘沿主梁长度方向δ3、δ4为板采用双板叠加型式，即δ＝δ3＋δ4，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。
翼缘板与腹板的厚度之所以这样布置，目的就是要合理使用材料，在满足强度、刚度和稳定性方面条件下，尽量减轻整体结构重量。
2）刚性腿
刚性腿采用箱形结构形式（见图4），沿刚性腿高度方向，箱形截面沿两个正交方向的截面是变化的，而且钢板的厚度沿刚性腿高度方向也是不同的，因而在高度方向上，刚性腿具有不同的
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。
图4 刚性腿示意图 图5 柔性腿示意图
3．4 计算载荷 [根据《起重机设计规范》（GB3811－83）]
1）起升载荷P Q ⋅ϕ2
ϕ2为起升载荷动载系数，其计算公式为
ϕ2=1+c ⋅v =
1
δ⋅g (λ0+y 0)
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；
y 0——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+
m 1y 02
() m 2y 0+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P G •ϕ1
0. 9≤ϕ1≤1. 1起升冲击系数 。
3）运行载荷 (P G +P Q ) ⋅ϕ4
ϕ4为运行冲击系数，其计算公式为
ϕ4＝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 P H
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。 ,式中，mP G ＝1. 5ma 为质量，a为加速度。 5）风载荷P W
P W =CK h qA
式中，C ——风力系数，与结构的体型、尺寸有关； K h ——风压高度变化系数，工作状态Kh ＝1；
q ——为风压；
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JI SB8821－1976《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℃。
3．5 CAE 技术在结构分析中的应用实例
1）有限元分析模型的建立
通过对门式起重机金属结构的有限元分析，可以比较精确地
计算出结构的变位和应力数值，以供结构分析之用。该类结构分析可分为整体建模和局部建模两部分工作。
整体建模一般采用梁单元BEAM188或BEAM44等，主要是研究分析整体结构的净刚度、强度和动态分析。整体建模时，一般以门式起重机的走轮、平衡梁、腿和主梁从下而上建立模型，各节点的自由度和边界条件与实际情况一致，只不过平衡梁等非主结构的刚度数值视为无穷大。图6为门式起重机的整体分析力学模型。通过计算，可以得到所需的数据，如结构的自重挠度、内力大小、固有频率、温度变化对结构的影响，也可以分析出行走机
构不同步对结构所造成的影响，等等。
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
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。
B
P’
A
P
图7 局部分析力学模型
2）计算结果
整体应力分析结果（如图8）
。
图8 整体应力分析结果
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
经过十年的实践，九院在大型造船门式起重机设计与CAE 技术应用方面，虽然积累了一些经验，取得了一些成果，但是技术的发展是无止境的，客户的要求也会不断提高，诸如结构的优化、操纵的智能化、驾驶室的人性化等设计题目已摆在我们面前，我们只有正视这些问题，才有可能提高我们的设计水平。
以人为本的理念，是现代社会的发展趋势。大型造船门式起重机同样不例外，驾驶员的工作状态好坏，直接影响到起重机的操作安全、工作的质量和效率，拥有一个舒适的工作环境，是保持驾驶员好的工作状态的一个重要外部因素，通过起重机的动态
分析，计算驾驶室的固有频率，对结构加以调整，以提高人体工效。
自然风中的脉动风分量是引起结构风激振动（抖振）的主要因素。持续的抖振除造成结构的疲劳损伤外，还会引起驾驶人员的不舒适感或振动疲劳感。随着现代结构日趋柔性和轻型化，抖振的影响已日趋重要，并成为人们关注和研究的焦点。
抖振会影响起重机的驾驶平顺性。其评价指标分竖直和水平两个方向，按国际标准ISO2631，在1～80 Hz振动频率范围内根据加速度的均方差将人体反应程度分成三种界限：暴露极限、疲劳极限（降低工作效率极限）和舒适性降低极限。图10、图11分别为ISO 推荐的全身振动的疲劳或工作降低界限图。
图10 ISO推荐的全身振动的疲劳或工作降低界限图
（水平方向）
图11 ISO推荐的全身振动的疲劳或工作降低界限图
（竖直方向）
若起重机的加速度均方根基本在标准规定的8 h疲劳与工效降低界限以下，则满足平顺性要求，并可保证工人在8 h工作时间内基本不受起重机风振的影响。
如何应用大连理工大学研究的虚拟激励法来分析大型起重机的抖振响应，并按国际标准估计了风振对人体的影响，有助于我们设计水平的提高。
* 本文的工作得到了大连理工大学林家浩,张亚辉,孙东科的帮助,特致谢意.
CAE 技术在大型造船门式起重机
金属结构设计中的应用
中船第九设计研究院 朱云龙 何先凡
摘要：随着CAE 技术的日渐成熟，中船第九设计研究院将该技术运用于大型造船门
式起重机金属结构的设计，并取得了丰硕的成果，在此基础上正准备对起重机金属结构的进一步优化、驾驶室的人性化设计等课题进行探索。
叙词：CAE 门式起重机 金属结构 设计 应用
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。
在我国的船厂中，船坞（船台）侧配置的起重设备常见的是门座起重机，而近十年来，随着造船的大型化发展趋势，造船门式起重机的需求急剧增长。与传统门座起重机相比，大型造船门式起重机对船体分段的安装和运输具有明显的优势，横跨在船坞（船台）上的起重机，能在覆盖船坞（船台）的平面内为装配现场服务，不仅具有升降、平移功能，而且可以实施船体分段的空中翻身，把分段调节到船体所需的焊接位置。
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
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）。
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，
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
序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
项目名称 480t×122m
龙门起重机 300t×116m 龙门起重机 200t×42m 龙门起重机 200t×65m 龙门起重机 600t×126m 龙门起重机 200t×68m 龙门起重机 600t×170m 龙门起重机 200t×72m 龙门起重机 400t×72m 龙门起重机 300t×72m 龙门起重机 200t×131m 龙门起重机 300t×70m 龙门起重机 500t×113m 龙门起重机 300t×85m 龙门起重机 300t×88m 龙门起重机 300t×72m 龙门起重机 600t×172m 龙门起重机 600t×187m 龙门起重机
起重量(t)
上小车/下小车
跨 度 (m) 122 116 42 65 126 68 170 72 72 55 131 70 113 85 88 72 172 187
起升 高度 (m) 75/9
设计 时间 1996年
竣工 时间
使用单位
2×160/200 2×170/180 2×80/100 2×80/100 2×200/200 2×100/120 2×300/350 2×75/120 2×160/200 2×150/180 2×55/100 2×100/120 2×160/250 2×100/150 2×100/150 2×150/180 2×300/350 2×300/350
1998年 渤海造船厂 1998年 南通中远川崎1998年 大连造船厂 2000年 马尾造船厂 2001年 靖江造船厂 2001年 2002年
文冲船厂 沪东中华
58/13 1997年30 55/6
1997年1998年
58/13 2000年42/12 2000年76/12 2000年55 51 44 60/13 52/13
2001年2002年2003年2004年
2002年 口岸造船厂 待定
广船国际
2004年 外高桥船厂 2005年 北海造船厂 待定 待定 待定 待定 待定 待定 待定
上海长兴 造船基地 大连造船厂 浙江造船厂 浙江欧华 广州江门
60/60 2004年72/8
2004年
50/50 2005年55/55 2005年45/45 2005年76/12 2005年76/12 2005年
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。
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。
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/mm。DH32钢板的屈服强度不小于315N/mm，抗拉强度440～590N/mm，伸长率22％。
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。
2
22
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。下翼缘沿主梁长度方向δ3、δ4为板采用双板叠加型式，即δ＝δ3＋δ4，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。
翼缘板与腹板的厚度之所以这样布置，目的就是要合理使用材料，在满足强度、刚度和稳定性方面条件下，尽量减轻整体结构重量。
2）刚性腿
刚性腿采用箱形结构形式（见图4），沿刚性腿高度方向，箱形截面沿两个正交方向的截面是变化的，而且钢板的厚度沿刚性腿高度方向也是不同的，因而在高度方向上，刚性腿具有不同的
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。
图4 刚性腿示意图 图5 柔性腿示意图
3．4 计算载荷 [根据《起重机设计规范》（GB3811－83）]
1）起升载荷P Q ⋅ϕ2
ϕ2为起升载荷动载系数，其计算公式为
ϕ2=1+c ⋅v =
1
δ⋅g (λ0+y 0)
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；
y 0——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+
m 1y 02
() m 2y 0+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P G •ϕ1
0. 9≤ϕ1≤1. 1起升冲击系数 。
3）运行载荷 (P G +P Q ) ⋅ϕ4
ϕ4为运行冲击系数，其计算公式为
ϕ4＝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 P H
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。 ,式中，mP G ＝1. 5ma 为质量，a为加速度。 5）风载荷P W
P W =CK h qA
式中，C ——风力系数，与结构的体型、尺寸有关； K h ——风压高度变化系数，工作状态Kh ＝1；
q ——为风压；
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JI SB8821－1976《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℃。
3．5 CAE 技术在结构分析中的应用实例
1）有限元分析模型的建立
通过对门式起重机金属结构的有限元分析，可以比较精确地
计算出结构的变位和应力数值，以供结构分析之用。该类结构分析可分为整体建模和局部建模两部分工作。
整体建模一般采用梁单元BEAM188或BEAM44等，主要是研究分析整体结构的净刚度、强度和动态分析。整体建模时，一般以门式起重机的走轮、平衡梁、腿和主梁从下而上建立模型，各节点的自由度和边界条件与实际情况一致，只不过平衡梁等非主结构的刚度数值视为无穷大。图6为门式起重机的整体分析力学模型。通过计算，可以得到所需的数据，如结构的自重挠度、内力大小、固有频率、温度变化对结构的影响，也可以分析出行走机
构不同步对结构所造成的影响，等等。
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
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。
B
P’
A
P
图7 局部分析力学模型
2）计算结果
整体应力分析结果（如图8）
。
图8 整体应力分析结果
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
经过十年的实践，九院在大型造船门式起重机设计与CAE 技术应用方面，虽然积累了一些经验，取得了一些成果，但是技术的发展是无止境的，客户的要求也会不断提高，诸如结构的优化、操纵的智能化、驾驶室的人性化等设计题目已摆在我们面前，我们只有正视这些问题，才有可能提高我们的设计水平。
以人为本的理念，是现代社会的发展趋势。大型造船门式起重机同样不例外，驾驶员的工作状态好坏，直接影响到起重机的操作安全、工作的质量和效率，拥有一个舒适的工作环境，是保持驾驶员好的工作状态的一个重要外部因素，通过起重机的动态
分析，计算驾驶室的固有频率，对结构加以调整，以提高人体工效。
自然风中的脉动风分量是引起结构风激振动（抖振）的主要因素。持续的抖振除造成结构的疲劳损伤外，还会引起驾驶人员的不舒适感或振动疲劳感。随着现代结构日趋柔性和轻型化，抖振的影响已日趋重要，并成为人们关注和研究的焦点。
抖振会影响起重机的驾驶平顺性。其评价指标分竖直和水平两个方向，按国际标准ISO2631，在1～80 Hz振动频率范围内根据加速度的均方差将人体反应程度分成三种界限：暴露极限、疲劳极限（降低工作效率极限）和舒适性降低极限。图10、图11分别为ISO 推荐的全身振动的疲劳或工作降低界限图。
图10 ISO推荐的全身振动的疲劳或工作降低界限图
（水平方向）
图11 ISO推荐的全身振动的疲劳或工作降低界限图
（竖直方向）
若起重机的加速度均方根基本在标准规定的8 h疲劳与工效降低界限以下，则满足平顺性要求，并可保证工人在8 h工作时间内基本不受起重机风振的影响。
如何应用大连理工大学研究的虚拟激励法来分析大型起重机的抖振响应，并按国际标准估计了风振对人体的影响，有助于我们设计水平的提高。
* 本文的工作得到了大连理工大学林家浩,张亚辉,孙东科的帮助,特致谢意.