岸邊集裝箱起重機(jī)節(jié)點(diǎn)板的有限元分析與比較

邱惠清,黃蘋蘋,王 宇

(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),對岸橋整體的安全性也起著十分重要的作用.因此,對岸橋鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)有重要的經(jīng)濟(jì)意義.

在岸橋鋼結(jié)構(gòu)中,節(jié)點(diǎn)板作為其中的重要組成部件,起著連接匯交桿件、傳遞桿件內(nèi)力、傳遞外載荷的作用.節(jié)點(diǎn)板部件雖小,但作用很重要,而且較易產(chǎn)生應(yīng)力集中的早期裂縫.因此節(jié)點(diǎn)板的設(shè)計(jì)是不容忽視的重要環(huán)節(jié).目前常用的節(jié)點(diǎn)板結(jié)構(gòu)形式有長腰形和圓形兩種.本文利用ANSYS軟件對岸橋鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模,分析比較長腰形節(jié)點(diǎn)板與圓形節(jié)點(diǎn)板的應(yīng)力大小,修改其應(yīng)力集中情況[1].

1 建立岸橋鋼結(jié)構(gòu)有限元模型

1.1 建模的假設(shè)與簡化[2]

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

(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,忽略了其對結(jié)構(gòu)力學(xué)特性上的影響.

1.2 模型中的單元類型

BEAM 44: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;LINK 10:主要是只承受單軸拉壓的前后拉桿系統(tǒng);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;MASS21:機(jī)房及一些附加質(zhì)量作為集中質(zhì)量均采用M ASS21單元.

1.3 模型中的材料屬性

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;力學(xué)特性:鋼結(jié)構(gòu)采用A 709-50-2鋼材,其力學(xué)特性為彈性模量E=210GPa;泊松比μ=0.3.

1.4 模型中的約束與加載[3]

約束:在岸橋工作狀態(tài)下,大車輪子是制動的,且輪子簡化為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 3個(gè)方向的位移,即ux,uy,uz;加載:根據(jù)歐洲起重機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范[4],假設(shè)所有可動部分均處在它們最不利的位置上,4個(gè)集中載荷分別作用于小車的4個(gè)輪子位置,載荷組合計(jì)算如下:

(1)豎直方向載荷Qz為

其中:Q L為岸橋額定載重;φ為動載系數(shù);Q2為小車加吊具的自重;γC為增大系數(shù).

(2)水平方向載荷Qx為

式中:m為小車質(zhì)量、吊具以及貨物質(zhì)量之和;2為載荷放大系數(shù);a為小車啟動時(shí)加速度或者制動時(shí)的減速度.

1.5 岸橋鋼結(jié)構(gòu)有限元模型

利用ANSYS建立岸橋鋼結(jié)構(gòu)模型,如圖1所示.其中對斜撐桿的節(jié)點(diǎn)板插入處分別建立了長腰形節(jié)點(diǎn)板和圓形節(jié)點(diǎn)板,如圖2和圖3所示.

圖1 岸橋鋼結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.1 Finite elem entm odel o f steel stru cture in container crane

2 有限元計(jì)算結(jié)果的分析與比較

利用ANSYS軟件分別對上述帶有兩種節(jié)點(diǎn)板的岸橋鋼結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行有限元分析[5],得到的節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力分布呈現(xiàn)不同的情況,如圖4和圖5所示.

比較圖4和圖5的應(yīng)力云圖,可以看出,在相同載荷的作用下,長腰形節(jié)點(diǎn)板與圓形節(jié)點(diǎn)板的應(yīng)力有相同的分布情況,但也存在一些不同現(xiàn)象.長腰形節(jié)點(diǎn)板與圓形節(jié)點(diǎn)板的應(yīng)力分布存在相同規(guī)律,如:它們的應(yīng)力集中都出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)板的下部位,并且在與斜撐桿相焊接的周圍地區(qū)的應(yīng)力都較小,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意下部位焊縫端點(diǎn)處的應(yīng)力集中.長腰形節(jié)點(diǎn)板與圓形節(jié)點(diǎn)板的應(yīng)力集中情況有所不同:根據(jù)圖4所示,長腰形節(jié)點(diǎn)板的應(yīng)力主要集中在下部的圓弧過渡部分,且應(yīng)力過渡很快,集中點(diǎn)在圓弧相連接處,可以適當(dāng)加大過渡圓弧的圓弧半徑來減小應(yīng)力集中.根據(jù)圖5所示,圓形節(jié)點(diǎn)板的應(yīng)力主要集中在頂部與下部.在頂部2段圓弧相連接的地方出現(xiàn)的應(yīng)力集中,是比較反常的,造成的原因可能是由于軟件自身無法實(shí)現(xiàn)真正的圓滑過渡,這個(gè)點(diǎn)正好處于2條直線的相交處,因而造成應(yīng)力集中.圓形節(jié)點(diǎn)板的應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在下部分,且應(yīng)力過渡比較平緩、有規(guī)律,這與圓形連接板使用整段圓弧來分散受力而削弱了應(yīng)力集中有關(guān).

定量地比較長腰形節(jié)點(diǎn)板與圓形節(jié)點(diǎn)板的應(yīng)力值,可以看出,圓形節(jié)點(diǎn)板上的應(yīng)力值明顯小于長腰形節(jié)點(diǎn)板,而長腰形節(jié)點(diǎn)板上的最大應(yīng)力值仍在許用應(yīng)力的范圍內(nèi).由此可見,在外部條件相同的情況下,圓形節(jié)點(diǎn)板比長腰形節(jié)點(diǎn)板有更大的改善空間.如圓形節(jié)點(diǎn)板的上部分材料并未承擔(dān)很多的應(yīng)力,造成了材料的浪費(fèi),可參考長腰形節(jié)點(diǎn)板形狀的設(shè)計(jì),在一定程度上能有效地節(jié)約材料.

3 結(jié)論

本文利用ANSYS軟件對岸橋鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模,分析比較長腰形節(jié)點(diǎn)板與圓形節(jié)點(diǎn)板的應(yīng)力集中情況.通過對兩種形狀節(jié)點(diǎn)板的有限元分析對比,發(fā)現(xiàn)兩種形狀的節(jié)點(diǎn)板在應(yīng)力分布上有各自的特點(diǎn),同樣也存在各自的不足之處,結(jié)合二者優(yōu)點(diǎn),相互之間取長補(bǔ)短從而使得節(jié)點(diǎn)板的形狀能最有效地發(fā)揮其自身的作用,減少不必要的材料浪費(fèi).

[1] 沈祖炎,嚴(yán)慧,馬克儉.空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)[M].貴州:貴州人民出版社,1987.

SHEN Zuyan,YAN Hui,MA Kejian.Dimensionalg ridding structure[M].Guizhou:Guizhou People's Press,1987.

[2] 童民慧.超巴拿馬雙小車集裝箱岸橋鋼結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)研究[D].上海:上海海事大學(xué),2004.

TONG Minhui.Dynamic response analysis for steel structure in double torlley container crane[D].Shanghai:Shanghai Maritime University,2004.

[3] 張慧博.超大型岸邊集裝箱起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)靜動態(tài)特性分析與輕量化研究[D].上海:上海交通大學(xué),2008.

ZHANG Huibo.Static and dynamic characteristics analysisand ligh tweight study for the metal structure of giant quayside[D].Shanghai:Shanghai Jiaotong University,2008.

[4] FEM.1.001/1-1987 Rules for the design of hoisting appliances[S].Paris:Thomson Reuters,1998.

[5] 宋勇.精通ANSYS7.0有限元分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

SONG Yong.Fam iliarity ANSYS7.0 finite element analysis[M].Beijing:Tsinghua University Press,2004.