岸邊集裝箱起重機(jī)門架結(jié)構(gòu)的有限元分析與比較

鄧國(guó)萍,吳志君,邱惠清

(同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,上海 201804)

岸邊集裝箱起重機(jī)(簡(jiǎn)稱岸橋)作為在碼頭前沿進(jìn)行集裝箱裝卸作業(yè)的裝卸設(shè)備,正朝著大型化方向發(fā)展.作為岸橋主體的鋼結(jié)構(gòu)成本約占總成本的1/3,直接影響到整機(jī)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),對(duì)岸橋鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化有重要的經(jīng)濟(jì)意義[1].本文利用ANSYS軟件針對(duì)2種不同的門架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,在各項(xiàng)岸橋設(shè)計(jì)參數(shù)相同的情況下,分析比較上部斜撐下部V字型的復(fù)合型門架結(jié)構(gòu)[1](形式1)與單斜撐型門架結(jié)構(gòu)[1](形式2)的應(yīng)力、變形和模態(tài)情況.

1 載荷計(jì)算

1.1 主要工作載荷

起升高度高的大型岸橋常用的門架結(jié)構(gòu)形式有2種,如圖1所示.形式1的門架結(jié)構(gòu)上部為斜撐桿,下部為V字型,除一段聯(lián)系橫梁外又增加了水平撐桿;形式2的門架結(jié)構(gòu)除一段聯(lián)系橫梁外,只采用1根斜撐桿.前者桿件增多,但門架結(jié)構(gòu)剛度較好;后者門架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,且提高了聯(lián)系橫梁下的運(yùn)行凈空高度.根據(jù)歐洲起重機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范(F.E.M標(biāo)準(zhǔn)),假設(shè)所有可動(dòng)部分均處在它們最不利的位置上,岸橋作業(yè)時(shí)的主要工作載荷為[2]①岸橋整體自重G1.②岸橋額定載重GL.③小車加吊具自重G2.④提升工作荷重引起的沖擊載荷:由工作荷重引起的載荷動(dòng)載系數(shù)為φ=1+ξ vL,其中對(duì)于臂架式起重機(jī)ξ=0.3;vL為起升速度,取最大值1 m·s-1.⑤小車起制動(dòng)引起的作用力:小車在起制動(dòng)過(guò)程中引起的慣性力較大,在計(jì)算中需要進(jìn)行考慮.根據(jù)歐洲起重機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范,簡(jiǎn)化計(jì)算所采用的計(jì)算公式為F=2ma.其中,2為載荷放大系數(shù);m為小車質(zhì)量、吊具以及貨物質(zhì)量之和;a為小車啟動(dòng)時(shí)加速度或者制動(dòng)時(shí)的減速度.

圖1 門架結(jié)構(gòu)形式Fig.1 Style of doorframe structure

1.2 載荷組合

根據(jù)岸邊集裝箱起重機(jī)工作特點(diǎn),將載荷進(jìn)行組合計(jì)算.在本次計(jì)算中,僅計(jì)算在最惡劣工況下,岸橋金屬結(jié)構(gòu)靜力學(xué)特性.載荷組合為[3]①豎直方向載荷(z方向):GWz=[GLφ+G2]γC.式中,γC為增大系數(shù),根據(jù)歐洲起重機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范取值為1.2.②水平方向載荷(x方向):GWx=2ma

2 建立岸橋鋼結(jié)構(gòu)有限元模型

2.1 建模的假設(shè)與簡(jiǎn)化[4]

(1)前、后大梁以及梯形架,海、陸側(cè)上橫梁的樓梯和扶梯沒(méi)有直接體現(xiàn),將它們的載荷均布到其所作用的結(jié)構(gòu)中.

(2)機(jī)房、機(jī)房底架、滑輪系統(tǒng)、托架等附加質(zhì)量以集中質(zhì)量的形式作用在其相關(guān)的位置上.

(3)小車主要簡(jiǎn)化為4個(gè)集中載荷,分別作用于小車的4個(gè)輪子位置.

(4)大車行走機(jī)構(gòu)輪子簡(jiǎn)化為4個(gè)支撐腿.

(5)集裝箱岸橋金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)部的隔板、筋板等部件僅僅將它們的質(zhì)量均布在結(jié)構(gòu)中,忽略了其對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性上的影響.

2.2 模型中的單元類型

(1)BEAM44:主要是門框系統(tǒng)、門框連接系統(tǒng)和大梁,其中門框系統(tǒng)和門框連接系統(tǒng)采用矩形梁,大梁采用梯形梁.

(2)LINK10:主要是只承受單軸拉壓的前后拉桿系統(tǒng).

(3)PIPE16:門框、大梁及梯形架之間的撐桿系統(tǒng)均采用的是管單元.

(4)MASS21:機(jī)房及一些附加質(zhì)量作為集中質(zhì)量,均采用MASS21單元.

2.3 模型中的材料屬性[5,6]

(1)材料密度:立柱、前后大梁等內(nèi)部大量筋板、小車軌道及主梁和立柱上的扶梯和樓梯未在有限元模型中充分表現(xiàn),只考慮了它們的分布質(zhì)量,故將其密度調(diào)整為鋼密度的1.5倍.

(2)力學(xué)特性:鋼結(jié)構(gòu)采用A709-50-2鋼材,其力學(xué)特性為彈性模量E=21 GPa;泊松比μ=0.3.

2.4 模型中的約束與計(jì)算工況

約束:在岸橋工作狀態(tài)下,大車輪子是制動(dòng)的,且輪子簡(jiǎn)化為4個(gè)支撐腿,故約束輪子支撐腿下面4個(gè)點(diǎn)的x,y,z方向的位移,即Ux,Uy,Uz.計(jì)算工況:結(jié)合本文研究的岸橋的具體特點(diǎn),對(duì)小車的8個(gè)危險(xiǎn)位置(如表1,圖2所示)進(jìn)行重點(diǎn)計(jì)算分析.

2.5 岸橋鋼結(jié)構(gòu)有限元模型

本文針對(duì)2種門架結(jié)構(gòu)形式建立岸橋鋼結(jié)構(gòu)的有限元模型,其門架結(jié)構(gòu)形式分別為復(fù)合型與單斜撐型,如圖3和圖4所示.

表1 8個(gè)危險(xiǎn)位置Tab.1 Eight dangerous positions

圖2 載荷施加位置Fig.2 Position loaded with force

圖3 復(fù)合型門架結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.3 Finite model of doorframe structure with composite

圖4 單斜撐型門架結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.4 Finite model of doorframe structure with single oblique pole type

3 有限元分析計(jì)算

3.1 岸橋鋼結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

(1)岸橋鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析.對(duì)岸橋各個(gè)部件進(jìn)行應(yīng)力分析,可幫助了解岸橋鋼結(jié)構(gòu)在不同工況下的受力狀況.在本文計(jì)算中,如圖5所示對(duì)10個(gè)重要位置的應(yīng)力進(jìn)行了分析,其應(yīng)力分析結(jié)果如表2所示.根據(jù)表2中數(shù)據(jù)比較可得,在各個(gè)工況下,與復(fù)合型門架結(jié)構(gòu)相比,單斜撐型門架結(jié)構(gòu)的陸側(cè)立柱上的應(yīng)力值平均減小10 MPa,海側(cè)立柱上的應(yīng)力值平均增大2 MPa,聯(lián)系橫梁上的應(yīng)力值平均增大20 MPa,而其余重要部件上的應(yīng)力無(wú)明顯變化.

(2)岸橋鋼結(jié)構(gòu)變形分析.①豎直變形分析:在計(jì)算中,在岸橋鋼結(jié)構(gòu)上設(shè)置了9個(gè)變形觀測(cè)點(diǎn),以觀察其變形情況.變形觀測(cè)點(diǎn)分布如圖6所示.各觀測(cè)點(diǎn)在豎直方向的變形值計(jì)算結(jié)果如表3所示,其中負(fù)號(hào)代表方向?yàn)樨Q直向下.根據(jù)表3中數(shù)據(jù)比較可得,在各個(gè)工況下,與復(fù)合型門架結(jié)構(gòu)相比,單斜撐型門架結(jié)構(gòu)中,除聯(lián)系橫梁中點(diǎn)的變形值由-10mm變成-14mm,其余各觀測(cè)點(diǎn)的變形均無(wú)明顯變化.②水平變形分析:在岸橋工作過(guò)程中,小車軌道方向的位移是影響整機(jī)工作性能的重要因素之一.故在此對(duì)岸橋鋼結(jié)構(gòu)在小車方向的最大變形值進(jìn)行分析比較,如表4所示.根據(jù)表4中數(shù)據(jù)比較可得,在各個(gè)工況下,與復(fù)合型門架結(jié)構(gòu)相比,單斜撐型門架結(jié)構(gòu)在小車方向的最大變形值均增大了20mm,即岸橋鋼結(jié)構(gòu)在小車方向的靜剛度有所下降.

圖5 岸橋鋼結(jié)構(gòu)主要部件示意圖Fig.5 Main part sketch map of container crane steel structure

圖6 變形觀測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.6 Sketch map of transformative observation point

表2 岸橋鋼結(jié)構(gòu)各主要部件名稱及各工況下的應(yīng)力Tab.2 Main part names and stress in different conditions of container crane steel structure

表3 岸橋鋼結(jié)構(gòu)各觀測(cè)點(diǎn)件名稱及各工況下的變形值Tab.3 Observation point names of Container crane steel structure and deformation in different conditions

表4 不同位置下小車方向最大變形值Tab.4 Big deformation value of small vehicle in different conditions

3.2 模態(tài)分析

為了使岸橋安全可靠地工作,其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)必須具有良好的動(dòng)態(tài)特性.本文利用ANSYS軟件對(duì)岸橋鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析,求出其固有頻率以及相應(yīng)的振型,并對(duì)各階主要振型進(jìn)行分析.在此只列出前5階模態(tài)分析結(jié)果,如表5所示.

根據(jù)表5數(shù)據(jù)比較可得,對(duì)于復(fù)合型門架結(jié)構(gòu),第四階頻率為岸橋在小車方向的固有頻率,其值為0.63440 Hz;對(duì)于單斜撐型門架結(jié)構(gòu),第三階頻率為岸橋在小車方向的固有頻率,其值為0.37744 Hz.

表5 岸橋鋼結(jié)構(gòu)模態(tài)分析結(jié)果Tab.5 Model analysis results of container crane steel structure

4 結(jié)論

本文針對(duì)岸橋中常見(jiàn)的復(fù)合型門架結(jié)構(gòu)與單斜撐型門架結(jié)構(gòu),利用ANSYS軟件對(duì)岸橋鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模,分析比較其應(yīng)力、變形和模態(tài)振動(dòng)等方面情況.分析結(jié)果顯示對(duì)同樣岸橋性能參數(shù)的門架結(jié)構(gòu),由復(fù)合型門架結(jié)構(gòu)改變?yōu)閱涡睋涡烷T架結(jié)構(gòu),其應(yīng)力、應(yīng)變和固有特性的變化不是很大;提升聯(lián)系橫梁,采用單斜撐型門架結(jié)構(gòu)式可行,它可以節(jié)約鋼材、降低成本、提高橫梁下運(yùn)行凈空高度.本文研究結(jié)果可作為今后選取岸橋鋼結(jié)構(gòu)形式的參考之一.

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