大型港口機(jī)械鋼結(jié)構(gòu)細(xì)部處理問題的研究

摘 要：市場經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，帶動(dòng)了大型港口機(jī)械制造行業(yè)在我國的迅速發(fā)展，由于行業(yè)的特殊性，其具有典型的規(guī)模經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，需要投入大量的規(guī)定資產(chǎn)和資金，才能夠完成大規(guī)模的生產(chǎn)。近年來，隨著港口行業(yè)的快速發(fā)展，港口機(jī)械的運(yùn)用也日漸廣泛，對于港口機(jī)械的結(jié)構(gòu)也提出了更高的要求。

關(guān)鍵詞：大型港口機(jī)械；機(jī)械設(shè)備

卸船機(jī)是大型港口機(jī)械設(shè)備中的一項(xiàng)重要設(shè)備，也是具有典型意義的設(shè)備。卸船機(jī)性能對于整個(gè)港口機(jī)械設(shè)備的工作效率有著十分重要的影響。卸船機(jī)的鋼結(jié)構(gòu)承載著整個(gè)機(jī)械設(shè)備的翻重、起升荷載等多方面的重力，因此，該機(jī)械設(shè)備的鋼結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而且在應(yīng)力的分布方面也十分復(fù)雜。與此同時(shí)，由于卸船機(jī)的鋼結(jié)構(gòu)受到外伸距變化的影響，在設(shè)計(jì)的過程中必須要在保證強(qiáng)度和剛度不受影響的基礎(chǔ)上，盡量減輕設(shè)備本身的重量。而在鋼結(jié)構(gòu)中，細(xì)部結(jié)構(gòu)對于機(jī)械本身的安全性有著十分重要的影響。根據(jù)實(shí)際情況，細(xì)部結(jié)構(gòu)處理對整機(jī)結(jié)構(gòu)的安全性有重要影響，因此，細(xì)部結(jié)構(gòu)處理顯得越來越重要；研究鋼結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析主要以細(xì)部處理為主，目的是對細(xì)部結(jié)構(gòu)有更深刻的了解，從而設(shè)計(jì)合理的細(xì)部結(jié)構(gòu)以避免發(fā)生局部裂紋，確保結(jié)構(gòu)的良好性能。

一、主要載荷和細(xì)部處理問題

在通常情況下，卸船機(jī)的額定起重量以及生產(chǎn)效率的制定是確保卸船作業(yè)順利進(jìn)行的保證，也是對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)所參考的標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，主要是根據(jù)抓斗的自重以及抓斗中物料的重量的總和作為機(jī)械設(shè)備的集中荷載，并且這部分荷載會(huì)全部施加在該設(shè)備中，因此，如果在細(xì)部結(jié)構(gòu)方面不能進(jìn)行有效的處理，則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生局部的承載力不夠，進(jìn)而發(fā)生變形或者是裂紋，甚至由于無法承受荷載而發(fā)生倒塌。在卸船機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，決定其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的主要結(jié)構(gòu)就是桿件連接的接頭。對于這一部位來說，根據(jù)焊接工藝的要求，必須要進(jìn)行焊接工藝孔的設(shè)置和預(yù)留，如果工藝孔的位置和大小不夠科學(xué)，則根據(jù)相關(guān)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行焊接時(shí)，則無法確保工藝孔的施工質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，從而容易造成工藝孔局部的壓力超過其所能夠承受的膠極限。另外，在日常使用的過程中，這個(gè)位置也是容易發(fā)生裂縫的位置，因此，必須要加強(qiáng)對細(xì)部結(jié)構(gòu)的處理，才能夠保證設(shè)備整體的安全性。

二、理論分析

傳統(tǒng)的焊接工藝孔目的是避免3條焊縫匯交于一點(diǎn)，產(chǎn)生應(yīng)力集中。預(yù)留焊接工藝孔確實(shí)可以避免焊縫的匯交，然而，焊接工藝孔同時(shí)又會(huì)產(chǎn)生工藝孔附近區(qū)域的應(yīng)力集中。應(yīng)力集中是工程中常見的問題，指物體中應(yīng)力梯度局部增高的現(xiàn)象，一般出現(xiàn)在物體形狀急劇變化的地方，如缺口、孔洞、溝槽以及有剛性約束處。應(yīng)力集中能使物體產(chǎn)生疲勞裂紋，也能使脆性材料制成的零件發(fā)生靜載斷裂。在應(yīng)力集中處，應(yīng)力的最大值與物體的幾何形狀和加載方式等因素有關(guān)。反映局部應(yīng)力增高程度的參數(shù)有理論應(yīng)力集中因數(shù)，它是峰值應(yīng)力和不考慮應(yīng)力。集中時(shí)的名義應(yīng)力的比值，恒大于1，且與載荷的大小無關(guān)。對受單向均勻拉伸的無限大薄板中的圓孔，該比值等于3。工程構(gòu)件的應(yīng)力集中因數(shù)可以通過實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值法確定。利用ANSYS軟件對含圓孔有限大矩形薄板兩端均勻受拉進(jìn)行應(yīng)力分析，得出應(yīng)力集中因數(shù)隨不同的圓孔直徑與板寬比值的變化曲線。通過和彈性力學(xué)解的比較，AN-SYS計(jì)算出的含圓孔薄板的應(yīng)力集中解是可靠的。應(yīng)力集中因數(shù)的收斂性與網(wǎng)格劃分的密度有關(guān)。矩形薄板的應(yīng)力集中因數(shù)除與徑寬比有關(guān)外，還與長寬比有關(guān)。當(dāng)徑寬比趨向0時(shí)，應(yīng)力集中因數(shù)趨向預(yù)測值3。當(dāng)長寬比大于2時(shí)，不同長寬比的應(yīng)力集中因數(shù)趨向一致，可用近似計(jì)算。因此，焊接工藝孔避免了焊縫匯交引起的應(yīng)力集中，而同時(shí)又引起了孔附近的應(yīng)力集中。

三、模型處理和計(jì)算載荷

1.根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙監(jiān)理細(xì)部結(jié)構(gòu)的模型，并且利用梁單元和殼單元的聯(lián)合運(yùn)用進(jìn)行建模。計(jì)算荷載的過程是形態(tài)的，其應(yīng)當(dāng)遵循的原則主要有以下幾個(gè)幾方面：

①保證整體鋼結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)都采用梁單元進(jìn)行模擬建模；②在細(xì)部鋼結(jié)構(gòu)的處理上，堅(jiān)持使用殼單元進(jìn)行模擬建模，并且采用梁單元與殼單元聯(lián)合實(shí)現(xiàn)剛性約束的方式，這也是十分有效、簡潔的方式；③大型行走結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)不能夠同時(shí)處在一個(gè)模型中進(jìn)行分析；④對立柱低端的約束力進(jìn)行充分的考慮，確保其能夠向三個(gè)方向自由的釋放；⑤需要計(jì)算的荷載量除了鋼結(jié)構(gòu)的自重之外，還應(yīng)當(dāng)包括節(jié)點(diǎn)的重量以及設(shè)備工作過程中產(chǎn)生的荷載，三者之和才是最終的荷載值。

2.將模型的支撐作為邊界條件，并保持合適的距離用來傳遞剛度，考慮3個(gè)方向的力和3個(gè)方向上的彎矩，然后將各個(gè)方向的應(yīng)力組合，形成一個(gè)平均應(yīng)力，該應(yīng)力能有效地反映聯(lián)接點(diǎn)上的應(yīng)力分布，可以用來判斷結(jié)構(gòu)的安全性。

四、結(jié)語

基于有限元分析的主聯(lián)接點(diǎn)計(jì)算，可以得到聯(lián)接點(diǎn)處的應(yīng)力不滿足材料的許用應(yīng)力，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，是不符合要求的。必須采取相應(yīng)的措施來降低應(yīng)力以滿足材料的許用應(yīng)力值。由于焊接工藝孔造成局部應(yīng)力集中，把工藝孔覆蓋是一種降低應(yīng)力集中的方法。另外增加聯(lián)接板的長度也可以有效的降低應(yīng)力，在集中應(yīng)力處焊接一塊厚板也是能有效降低應(yīng)力的方法。

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