關(guān)于岸邊集裝箱起重機(jī)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)及可靠性分析

呂瑞軍

[摘 要]在國(guó)際各港口碼頭，到處都能夠看到岸邊集裝箱起重機(jī)的身影，它成為港口碼頭使用的重要機(jī)械之一，尤其是隨著近幾年來我國(guó)與世界各國(guó)的貿(mào)易增多，岸邊集裝箱起重機(jī)的適用范圍也是逐漸擴(kuò)大。因此，合理設(shè)計(jì)岸邊集裝箱起重機(jī)的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)輕量化和高可靠性是我們研究的重點(diǎn)。在岸邊集裝箱起重機(jī)的主結(jié)構(gòu)分析中可以發(fā)現(xiàn)鋼材的使用量是影響整個(gè)起重機(jī)重量的關(guān)鍵，所以我們要對(duì)起重機(jī)的主結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。在現(xiàn)有的集裝箱起重機(jī)的設(shè)計(jì)方案中鋼材的占比高、材料浪費(fèi)嚴(yán)重是普遍存在的問題。本文依托ANSYS平臺(tái)，對(duì)岸邊集裝箱起重機(jī)的主結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，包括主結(jié)構(gòu)截面尺寸方面和受力方面。在滿足集裝箱起重機(jī)主結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度均符合許用值的前提下盡可能的使主結(jié)構(gòu)總質(zhì)量最小，達(dá)到輕量化的目的。在滿足了強(qiáng)度、剛度方面之外，我們還需要利用ANSYS 軟件概率分析功能對(duì)優(yōu)化后主結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性分析，確保各個(gè)方面均達(dá)到要求后，最終真正實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)的目的。

[關(guān)鍵詞]集裝箱起重機(jī) 輕量化設(shè)計(jì) 起重機(jī)結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：V237 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）27-0326-01

一、輕量化設(shè)計(jì)

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，各國(guó)與各國(guó)之間的對(duì)外貿(mào)易往來也逐漸的增多，尤其是近幾年來我國(guó)同其他國(guó)家的貿(mào)易往來增加，港口碼頭各種裝卸貨物的設(shè)備作用就顯得更加重要了。岸邊集裝箱起重機(jī)作為重要的碼頭裝卸設(shè)備更加值得我們深刻的研究。隨著國(guó)際貿(mào)易的迅速發(fā)展，運(yùn)輸集裝箱的船舶也出現(xiàn)了大型化的趨勢(shì)，這就要求岸邊集裝箱起重機(jī)的主結(jié)構(gòu)也相應(yīng)大型化設(shè)計(jì)，同時(shí)其主結(jié)構(gòu)部分質(zhì)量占整機(jī)的質(zhì)量比例高，鋼材的單價(jià)也不斷上漲。因此，為了獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)岸邊集裝箱起重機(jī)進(jìn)行輕量化的設(shè)計(jì)迫在眉睫。下面就以常規(guī)的岸邊集裝箱起重機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)它的主結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析：前伸距63m，后伸距20m，大車軌距30m，基距20m，材料Q345鋼。利用Beam188單元和Mass21單元在ANSYS中進(jìn)行參數(shù)化建模，并模擬各種不同的實(shí)際工況對(duì)岸邊集裝箱起重機(jī)進(jìn)行分析，各種實(shí)際工況包括動(dòng)力學(xué)工況也包含靜力學(xué)工況。通過分析之后我們可以發(fā)現(xiàn)，有三種工況是處于三個(gè)不同位置的靜剛度。而另外其他工況是小車處于不同位置的靜強(qiáng)度。當(dāng)然我們分析得到的這些結(jié)論是在只考慮額定起吊質(zhì)量的情況下分析的。

從表1我們能夠看出各工況的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)跐M足規(guī)范的要求下，還有一些多余的成分。我們有必要對(duì)岸邊集裝箱起重機(jī)主結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，從而降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品性價(jià)比。我們將主結(jié)構(gòu)的最小質(zhì)量確立為主函數(shù)，各工況的應(yīng)力和應(yīng)變值為狀態(tài)變量，使其小于許用值。并且選擇各主結(jié)構(gòu)部件橫截面的高度值寬度值作為設(shè)計(jì)變量，比如大梁立柱等。把各個(gè)變量的取值確定在一個(gè)合適的范圍內(nèi)。而且我們通過精度較高的一階方法進(jìn)行疊算，并最后取得最精準(zhǔn)的取值。然后我們將優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行取整處理，并最后對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行分析。通過分析來比較優(yōu)化前與優(yōu)化后結(jié)果的差異存在。為了方便觀察比較我們將優(yōu)化后的數(shù)據(jù)列入表中與優(yōu)化前的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以便于更好的發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。

表2是優(yōu)化前后靜力學(xué)分析結(jié)果對(duì)照表。從表2中我們可以看出優(yōu)化后的主結(jié)構(gòu)在各種工況下，其最大的應(yīng)力、應(yīng)變值明顯高于優(yōu)化前的數(shù)據(jù)。并且各項(xiàng)數(shù)據(jù)均滿足要求。岸邊集裝箱起重機(jī)主結(jié)構(gòu)質(zhì)量由之前的896541kg減少到優(yōu)化后的859452kg。陸側(cè)立柱截面的寬度和大梁截面的寬度均有所減少，各板板厚均減小至設(shè)定的最小值。

二、優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果可靠性分析

對(duì)岸邊集裝箱起重機(jī)進(jìn)行輕量化的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程，構(gòu)成起重機(jī)的部件很多，大到主結(jié)構(gòu)的大梁，小到細(xì)微的散零件，其中重要的組成部件一旦發(fā)生扭曲變型，那么將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)的截面形狀發(fā)生改變。如果截面形狀一旦發(fā)生改變就會(huì)引起眾多與其配合的零件發(fā)生連接形式上的失效。下面我們對(duì)主結(jié)構(gòu)中各板的厚度進(jìn)行優(yōu)化處理，而其自身的外形尺寸不發(fā)生變化。并且針對(duì)不同厚度的板我們優(yōu)化的尺寸范圍也各不相同。在輕量化的設(shè)計(jì)過程中一些相關(guān)的其他變量也是能夠影響研究結(jié)構(gòu)的，為此我們?cè)谳p量化設(shè)計(jì)的過程中引入一些，比如：材料強(qiáng)度、材料尺寸等變量。引入其余變量分析后并不能確保其整體的結(jié)構(gòu)符合我們的標(biāo)準(zhǔn)，為了使我們的分析具有全面代表性，我們還要對(duì)優(yōu)化后的岸邊集裝箱起重機(jī)主結(jié)構(gòu)的一些不確定因素進(jìn)行分析。其形式為：Z=G（X）=R-S。X就代表隨機(jī)的變量，X我們就將取值為1、2、3，R就代表的是結(jié)構(gòu)抗力，而S就是結(jié)構(gòu)的綜合效應(yīng)。當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)G值大于0的時(shí)候此時(shí)就說明我們的結(jié)構(gòu)是處于相對(duì)安全的狀態(tài)。我們觀察G值的大小，當(dāng)發(fā)現(xiàn)G≦0時(shí)，此時(shí)，我們就要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，出現(xiàn)這種情況通常結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為失效狀態(tài)。蒙特卡羅法和響應(yīng)面法就是我們采用的來處理時(shí)效結(jié)構(gòu)常用的方法。蒙特卡羅方法（Monte Carlo method），是我們經(jīng)常使用的統(tǒng)計(jì)模擬法，是在二十世紀(jì)中期被提出來得，蒙特卡羅法的應(yīng)用面非常廣泛，并且他有一個(gè)極好的優(yōu)點(diǎn)就是只要我們的模型準(zhǔn)確，并且進(jìn)過多次的試驗(yàn)，模擬足夠多的例子，得出的結(jié)果是非常有可信度的。而響應(yīng)面法區(qū)別于蒙特卡羅法，它是通過一系列的確定試驗(yàn)來模擬極限狀態(tài)的一種方法。

三、輕量化設(shè)計(jì)的意義所在

基于各項(xiàng)研究的數(shù)據(jù)，從中我們可以觀察到利用ANSYS軟件對(duì)岸邊集裝箱起重機(jī)的主結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化的設(shè)計(jì)，其優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)質(zhì)量明顯下降。并且經(jīng)過優(yōu)化，岸邊集裝箱起重機(jī)主結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度得到了合理的利用。充分利用了主結(jié)構(gòu)整體性能，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)自重減少，產(chǎn)品成本降低，效益增加的目的。

結(jié)束語(yǔ)

我們對(duì)岸邊集裝箱起重機(jī)主結(jié)構(gòu)進(jìn)行的研究，提取各種有價(jià)值的數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行分析，可以明顯的觀察到結(jié)果，優(yōu)化后的大梁有明顯的輕化，減少了材料的使用量，且在優(yōu)化以后強(qiáng)度剛度等各方面均在規(guī)范要求的許用值之內(nèi)。而且通過文中的數(shù)據(jù)我們可以看到，大梁的剛度條件得到了充分的利用，如果我們進(jìn)一步調(diào)整一下拉點(diǎn)的位置，并把變形之間的問題協(xié)調(diào)好，這樣材料的利用率就更高了。本文研究的是基于ANSYS平臺(tái)，對(duì)岸邊集裝箱起重機(jī)主結(jié)構(gòu)進(jìn)行的簡(jiǎn)單研究和分析，如果對(duì)其進(jìn)行全方位的探究還需要我們進(jìn)行更加深刻的研究。利用ANSYS平臺(tái)研究分析的岸邊集裝箱起重機(jī)的主結(jié)構(gòu)計(jì)算滿足規(guī)范要求，實(shí)現(xiàn)了主結(jié)構(gòu)鋼材的合理化使用。通過一系列的研究我們對(duì)岸邊集裝箱起重機(jī)達(dá)到了輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，有效降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，提升了經(jīng)濟(jì)利益，對(duì)于企業(yè)的可持續(xù)化發(fā)展有著重要的意義。

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