岸边集装箱起重机门架结构的有限元分析与比较

邓国萍,吴志君,邱惠清

(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,对岸桥钢结构进行优化有重要的经济意义[1].本文利用ANSYS软件针对2种不同的门架结构进行有限元分析,在各项岸桥设计参数相同的情况下,分析比较上部斜撑下部V字型的复合型门架结构[1](形式1)与单斜撑型门架结构[1](形式2)的应力、变形和模态情况.

1 载荷计算

1.1 主要工作载荷

起升高度高的大型岸桥常用的门架结构形式有2种,如图1所示.形式1的门架结构上部为斜撑杆,下部为V字型,除一段联系横梁外又增加了水平撑杆;形式2的门架结构除一段联系横梁外,只采用1根斜撑杆.前者杆件增多,但门架结构刚度较好;后者门架结构简单,且提高了联系横梁下的运行净空高度.根据欧洲起重机械设计规范(F.E.M标准),假设所有可动部分均处在它们最不利的位置上,岸桥作业时的主要工作载荷为[2]①岸桥整体自重G1.②岸桥额定载重GL.③小车加吊具自重G2.④提升工作荷重引起的冲击载荷:由工作荷重引起的载荷动载系数为φ=1+ξ vL,其中对于臂架式起重机ξ=0.3;vL为起升速度,取最大值1 m·s-1.⑤小车起制动引起的作用力:小车在起制动过程中引起的惯性力较大,在计算中需要进行考虑.根据欧洲起重机械设计规范,简化计算所采用的计算公式为F=2ma.其中,2为载荷放大系数;m为小车质量、吊具以及货物质量之和;a为小车启动时加速度或者制动时的减速度.

图1 门架结构形式Fig.1 Style of doorframe structure

1.2 载荷组合

根据岸边集装箱起重机工作特点,将载荷进行组合计算.在本次计算中,仅计算在最恶劣工况下,岸桥金属结构静力学特性.载荷组合为[3]①竖直方向载荷(z方向):GWz=[GLφ+G2]γC.式中,γC为增大系数,根据欧洲起重机械设计规范取值为1.2.②水平方向载荷(x方向):GWx=2ma

2 建立岸桥钢结构有限元模型

2.1 建模的假设与简化[4]

(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,将它们的载荷均布到其所作用的结构中.

(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.

2.2 模型中的单元类型

(1)BEAM44: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.

(2)LINK10:主要是只承受单轴拉压的前后拉杆系统.

(3)PIPE16:门框、大梁及梯形架之间的撑杆系统均采用的是管单元.

(4)MASS21:机房及一些附加质量作为集中质量,均采用MASS21单元.

2.3 模型中的材料属性[5,6]

(1)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.

(2)力学特性:钢结构采用A709-50-2钢材,其力学特性为弹性模量E=21 GPa;泊松比μ=0.3.

2.4 模型中的约束与计算工况

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方向的位移,即Ux,Uy,Uz.计算工况:结合本文研究的岸桥的具体特点,对小车的8个危险位置(如表1,图2所示)进行重点计算分析.

2.5 岸桥钢结构有限元模型

本文针对2种门架结构形式建立岸桥钢结构的有限元模型,其门架结构形式分别为复合型与单斜撑型,如图3和图4所示.

表1 8个危险位置Tab.1 Eight dangerous positions

图2 载荷施加位置Fig.2 Position loaded with force

图3 复合型门架结构有限元模型Fig.3 Finite model of doorframe structure with composite

图4 单斜撑型门架结构有限元模型Fig.4 Finite model of doorframe structure with single oblique pole type

3 有限元分析计算

3.1 岸桥钢结构静力学分析

(1)岸桥钢结构应力分析.对岸桥各个部件进行应力分析,可帮助了解岸桥钢结构在不同工况下的受力状况.在本文计算中,如图5所示对10个重要位置的应力进行了分析,其应力分析结果如表2所示.根据表2中数据比较可得,在各个工况下,与复合型门架结构相比,单斜撑型门架结构的陆侧立柱上的应力值平均减小10 MPa,海侧立柱上的应力值平均增大2 MPa,联系横梁上的应力值平均增大20 MPa,而其余重要部件上的应力无明显变化.

(2)岸桥钢结构变形分析.①竖直变形分析:在计算中,在岸桥钢结构上设置了9个变形观测点,以观察其变形情况.变形观测点分布如图6所示.各观测点在竖直方向的变形值计算结果如表3所示,其中负号代表方向为竖直向下.根据表3中数据比较可得,在各个工况下,与复合型门架结构相比,单斜撑型门架结构中,除联系横梁中点的变形值由-10mm变成-14mm,其余各观测点的变形均无明显变化.②水平变形分析:在岸桥工作过程中,小车轨道方向的位移是影响整机工作性能的重要因素之一.故在此对岸桥钢结构在小车方向的最大变形值进行分析比较,如表4所示.根据表4中数据比较可得,在各个工况下,与复合型门架结构相比,单斜撑型门架结构在小车方向的最大变形值均增大了20mm,即岸桥钢结构在小车方向的静刚度有所下降.

图5 岸桥钢结构主要部件示意图Fig.5 Main part sketch map of container crane steel structure

图6 变形观测点示意图Fig.6 Sketch map of transformative observation point

表2 岸桥钢结构各主要部件名称及各工况下的应力Tab.2 Main part names and stress in different conditions of container crane steel structure

表3 岸桥钢结构各观测点件名称及各工况下的变形值Tab.3 Observation point names of Container crane steel structure and deformation in different conditions

表4 不同位置下小车方向最大变形值Tab.4 Big deformation value of small vehicle in different conditions

3.2 模态分析

为了使岸桥安全可靠地工作,其结构系统必须具有良好的动态特性.本文利用ANSYS软件对岸桥钢结构结构进行模态分析,求出其固有频率以及相应的振型,并对各阶主要振型进行分析.在此只列出前5阶模态分析结果,如表5所示.

根据表5数据比较可得,对于复合型门架结构,第四阶频率为岸桥在小车方向的固有频率,其值为0.63440 Hz;对于单斜撑型门架结构,第三阶频率为岸桥在小车方向的固有频率,其值为0.37744 Hz.

表5 岸桥钢结构模态分析结果Tab.5 Model analysis results of container crane steel structure

4 结论

本文针对岸桥中常见的复合型门架结构与单斜撑型门架结构,利用ANSYS软件对岸桥钢结构进行有限元建模,分析比较其应力、变形和模态振动等方面情况.分析结果显示对同样岸桥性能参数的门架结构,由复合型门架结构改变为单斜撑型门架结构,其应力、应变和固有特性的变化不是很大;提升联系横梁,采用单斜撑型门架结构式可行,它可以节约钢材、降低成本、提高横梁下运行净空高度.本文研究结果可作为今后选取岸桥钢结构形式的参考之一.

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