岸边集装箱起重机节点板的有限元分析与比较

邱惠清,黄苹苹,王 宇

(同济大学 机械工程学院,上海 201804)

岸边集装箱起重机(简称岸桥)作为在码头前沿进行集装箱装卸作业的装卸设备,正朝着大型化方向发展.作为岸桥主体的钢结构,成本约占总成本的1/3,直接影响到整机的技术经济指标,对岸桥整体的安全性也起着十分重要的作用.因此,对岸桥钢结构进行优化设计有重要的经济意义.

在岸桥钢结构中,节点板作为其中的重要组成部件,起着连接汇交杆件、传递杆件内力、传递外载荷的作用.节点板部件虽小,但作用很重要,而且较易产生应力集中的早期裂缝.因此节点板的设计是不容忽视的重要环节.目前常用的节点板结构形式有长腰形和圆形两种.本文利用ANSYS软件对岸桥钢结构进行有限元建模,分析比较长腰形节点板与圆形节点板的应力大小,修改其应力集中情况[1].

1 建立岸桥钢结构有限元模型

1.1 建模的假设与简化[2]

(1)前、后大梁以及梯形架,海、陆侧上横梁的楼梯和扶梯没有直接体现,将它们的重力均布到其所作用的结构重力之中.

(2)机房、机房底架、滑轮系统、托架等附加质量以集中质量的形式作用在其相关的位置上.

(3)小车主要简化为4个集中载荷,分别作用于小车的4个轮子位置.

(4)大车行走机构轮子简化为4个支撑腿.

(5)集装箱岸桥金属结构内部的隔板、筋板等部件仅仅将它们的质量均布在结构中,忽略了其对结构力学特性上的影响.

1.2 模型中的单元类型

BEAM 44:主要是门框系统、门框连接系统和大梁,其中门框系统和门框连接系统采用矩形梁,大梁采用梯形梁;LINK 10:主要是只承受单轴拉压的前后拉杆系统;PIPE16:门框、大梁及梯形架之间的撑杆系统均采用的是管单元;MASS21:机房及一些附加质量作为集中质量均采用M ASS21单元.

1.3 模型中的材料属性

材料密度:立柱、前后大梁等内部大量筋板、小车轨道及主梁和立柱上的扶梯和楼梯未在有限元模型中充分表现,只考虑了它们的分布质量,故将其密度调整为钢密度的1.5倍;力学特性:钢结构采用A 709-50-2钢材,其力学特性为弹性模量E=210GPa;泊松比μ=0.3.

1.4 模型中的约束与加载[3]

约束:在岸桥工作状态下,大车轮子是制动的,且轮子简化为4个支撑腿,故约束轮子支撑腿下面4个点的x,y,z 3个方向的位移,即ux,uy,uz;加载:根据欧洲起重机械设计规范[4],假设所有可动部分均处在它们最不利的位置上,4个集中载荷分别作用于小车的4个轮子位置,载荷组合计算如下:

(1)竖直方向载荷Qz为

其中:Q L为岸桥额定载重;φ为动载系数;Q2为小车加吊具的自重;γC为增大系数.

(2)水平方向载荷Qx为

式中:m为小车质量、吊具以及货物质量之和;2为载荷放大系数;a为小车启动时加速度或者制动时的减速度.

1.5 岸桥钢结构有限元模型

利用ANSYS建立岸桥钢结构模型,如图1所示.其中对斜撑杆的节点板插入处分别建立了长腰形节点板和圆形节点板,如图2和图3所示.

图1 岸桥钢结构有限元模型Fig.1 Finite elem entm odel o f steel stru cture in container crane

2 有限元计算结果的分析与比较

利用ANSYS软件分别对上述带有两种节点板的岸桥钢结构模型进行有限元分析[5],得到的节点板应力分布呈现不同的情况,如图4和图5所示.

比较图4和图5的应力云图,可以看出,在相同载荷的作用下,长腰形节点板与圆形节点板的应力有相同的分布情况,但也存在一些不同现象.长腰形节点板与圆形节点板的应力分布存在相同规律,如:它们的应力集中都出现在节点板的下部位,并且在与斜撑杆相焊接的周围地区的应力都较小,设计时应注意下部位焊缝端点处的应力集中.长腰形节点板与圆形节点板的应力集中情况有所不同:根据图4所示,长腰形节点板的应力主要集中在下部的圆弧过渡部分,且应力过渡很快,集中点在圆弧相连接处,可以适当加大过渡圆弧的圆弧半径来减小应力集中.根据图5所示,圆形节点板的应力主要集中在顶部与下部.在顶部2段圆弧相连接的地方出现的应力集中,是比较反常的,造成的原因可能是由于软件自身无法实现真正的圆滑过渡,这个点正好处于2条直线的相交处,因而造成应力集中.圆形节点板的应力集中主要出现在下部分,且应力过渡比较平缓、有规律,这与圆形连接板使用整段圆弧来分散受力而削弱了应力集中有关.

定量地比较长腰形节点板与圆形节点板的应力值,可以看出,圆形节点板上的应力值明显小于长腰形节点板,而长腰形节点板上的最大应力值仍在许用应力的范围内.由此可见,在外部条件相同的情况下,圆形节点板比长腰形节点板有更大的改善空间.如圆形节点板的上部分材料并未承担很多的应力,造成了材料的浪费,可参考长腰形节点板形状的设计,在一定程度上能有效地节约材料.

3 结论

本文利用ANSYS软件对岸桥钢结构进行有限元建模,分析比较长腰形节点板与圆形节点板的应力集中情况.通过对两种形状节点板的有限元分析对比,发现两种形状的节点板在应力分布上有各自的特点,同样也存在各自的不足之处,结合二者优点,相互之间取长补短从而使得节点板的形状能最有效地发挥其自身的作用,减少不必要的材料浪费.

[1] 沈祖炎,严慧,马克俭.空间网格结构[M].贵州:贵州人民出版社,1987.

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

[2] 童民慧.超巴拿马双小车集装箱岸桥钢结构动力响应研究[D].上海:上海海事大学,2004.

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

[3] 张慧博.超大型岸边集装箱起重机金属结构静动态特性分析与轻量化研究[D].上海:上海交通大学,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:清华大学出版社,2004.

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