800 t卸船機梁單元模型的多工況有限元計算分析

鐘東階 , 李濤濤, 張鴻翔

(1 武漢科技大學(xué) 機械自動化學(xué)院, 湖北 武漢 430081； 2 武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院, 湖北 武漢 430063)

岸橋式卸船機是一種廣泛應(yīng)用于港口、貨場、倉庫的重要裝卸設(shè)備[1]．在設(shè)計中，岸橋的外伸距長度及門框高度可以相等或不等，這取決于貨場具體情況．從整機結(jié)構(gòu)上看，金屬結(jié)構(gòu)起著對貨物和自身重力的主要承重、支撐的作用，屬于整機設(shè)計的重點部分．

隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到了起重機的設(shè)計過程中，主要進行起重機重要構(gòu)件的靜力學(xué)分析與強度校核．在運用ANSYS軟件時，遵循有限元法分析計算的思路：物體離散化、選擇位移模式、分析單元力學(xué)特性、集合所有單元的平衡方程，建立整個結(jié)構(gòu)的平衡方程、求解未知節(jié)點位移以及計算單元應(yīng)力．通過計算機的內(nèi)部數(shù)據(jù)計算，可給定力學(xué)環(huán)境下的分析結(jié)果，完成起重機結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析和強度校核．

本文以800 t岸橋卸船機為原型，運用ANSYS有限元分析軟件進行起重機多工況下的靜力分析，完成了金屬結(jié)構(gòu)的校核工作[2]．

1 有限元模型的建立

1.1 800 t卸船機結(jié)構(gòu)及參數(shù)

該岸橋卸船機采用斜拉桿式結(jié)構(gòu)型式(圖1)，且工作房設(shè)計于低位，不同于常規(guī)的平行于主梁式工作房布置情況．該設(shè)計方案美觀、實用，滿足設(shè)計要求，減輕主梁結(jié)構(gòu)自重，降低制造成本．該起重機主要性能參數(shù)：生產(chǎn)率 800 t/h；起重量 20 t；起升速度120 m/min；下降速度160 m/min；小車運行速度(VT)100-150 m/min；大車運行速度(VG)0-20 m/min；小車制動時間(tT) 3.3 s；大車制動時間(tG) 6 s；最大前伸距20 m；最大后伸距10 m；大車軌距14 m；小車軌距3 m；工作風(fēng)速20 m/s；非工作風(fēng)速50 m/s．

1-主梁; 2-海測門框; 3-陸側(cè)門框; 4-工作房承重梁圖 1 800 t卸船機結(jié)構(gòu)設(shè)計方案圖

1.2 模型建立

綜合考慮該橋式起重機整機結(jié)構(gòu)的受力特點，根據(jù)其各部分的結(jié)構(gòu)特點，采用Beam188單元建立起重機金屬結(jié)構(gòu)模型，其中包括海測門框、主梁、陸側(cè)門框及拉桿等．伸臂梁結(jié)構(gòu)的立體模型見圖2．

圖 2 800 t卸船機結(jié)構(gòu)計算模型

2 伸臂梁結(jié)構(gòu)載荷情況分析

除了自身重量之外，作用在主梁上的外載荷主要包括起升載荷、風(fēng)載荷、大車制動慣性力、小車制動慣性力等等[3]．以單臺岸橋起重機作業(yè)、起吊重物為800 t工況為例．

2.1 固定載荷

結(jié)構(gòu)自重通過輸入桿件質(zhì)量密度由程序自動計算，考慮到焊縫等結(jié)構(gòu)，取g=10 m/s2；機房等以集中質(zhì)量形式加在相應(yīng)節(jié)點上；

2.2 移動載荷

當卸船機工作時，移動載荷包括主小車(PLT) 6.755 t, 司機室(PLC) 3.66 t, 抓斗連貨(PLG) 20 t, 總載荷(PL) 30.151．

按各計算工況，移動載荷以集中載荷形式分別作用在五個不同計算位置：最大前伸距處、前拉桿與大梁鉸處、海側(cè)門框處、料斗卸料位置、海、陸側(cè)門架之間．

2.3 慣性載荷

小車起制動慣性力

PHL=1.5·(PTL+PTD+PLC+

PLG)·aL=34598 N.

其中aL=Vn/tn=150/3.3 m/s2=0.758m/s2.

大車起制動慣性力

PHG=(PG+PLT+PLD+PLC+

PLG)·aG=235935 N.

其中aG=0.05×g=0.49 m/s2.據(jù)此算出各種載荷的大車起制動慣性力；移動載荷因大車起制動而產(chǎn)生慣性力以集中載荷形式作用在相應(yīng)節(jié)點上；分布質(zhì)量因大車起制動而產(chǎn)生慣性力，通過輸入大車起制動加速度值而由程序自動生成，集中質(zhì)量作用在相應(yīng)的節(jié)點上．

2.4 風(fēng)載荷

工作風(fēng)載荷按風(fēng)速20 m/s，即風(fēng)壓q=250 N/m2，非工作風(fēng)載荷風(fēng)速55 m/s，即風(fēng)壓q=1 890 N/m2.

根據(jù)截面積計算得：在工作狀態(tài)下，沿X方向上載荷風(fēng)載荷大小為170034.74 N；沿Z方向上載荷風(fēng)載荷大小為130539.71 N；在非工作狀態(tài)下，沿X方向上載荷風(fēng)載荷大小為1062717.09 N；沿Z方向上載荷風(fēng)載荷大小為815873.16 N.

2.5 偏斜力

PSE=1/2·λ·∑P

式中：∑P為受側(cè)向力一側(cè)起重機走輪上的總輪壓；Λ為側(cè)向力系數(shù)，根據(jù)起重機跨度與基距比L/B確定；

1) 主小車運行偏斜力PSKT:L=3 000 mm;B=3 500 mm;L/B=0.857;λ=0.05;∑P=(1/2)·(PLT+PLD+PLC)=172749N;PSKT=(1/2)λ∑P=4 319 N.

2) 大車運行偏斜力PSIG:L=14 000 mm;B=20 000 mm;L/B=0.7;λ=0.05;∑P=1/2·(PG+PL)=2 400 000 N;PSIG=1/2λ∑P=60 000 N.

2.6 緩沖力

1) 主小車緩沖力PTL:主小車緩沖器型號為HYG200-250,其最大緩沖力PTT=500 kN, 左右各一個.

2) 大車起制動緩沖力PTG:大車緩沖器型號為HYG200-250,其最大緩沖力PTG=800 kN, 左右各一個.

3 模型計算

除特別說明外，本次分析全部采用國際單位制．即：質(zhì)量，kg；力，N；長度，mm．

3.1 模型預(yù)處理

有限元分析計算時需要對所建的模型進行預(yù)處理操作，根據(jù)金屬結(jié)構(gòu)的材料設(shè)定分析模型中材料的密度、楊氏模量、泊松比等物理量[3]．由結(jié)構(gòu)材料Q345-B的基本性質(zhì)設(shè)定：密度ρ=7.85×10-6kg/mm3，泊松比μ=0.30，楊氏模量E=2.1×105Pa．

3.2 載荷與約束

各受載點所受的載荷均按X、Y、Z三個方向分解，直接施加在作用點．為方便載荷的施加，這里可采用載荷命令流的方式完成每個模型的加載．

結(jié)構(gòu)自重按照設(shè)定的重力加速度g=9.81m/s2，由有限元分析程序自動計入應(yīng)力影響中，運動慣性力的影響也采用同樣的方法考慮計算．

綜合考慮整機實際工作時的運動情況，模型分析時只需在門腿最下方的節(jié)點上施加X、Y、Z、XRot、YRot、ZRot六個方向的自由度約束便可完成模型的靜力分析[4]．

3.3 結(jié)果輸出

根據(jù)分析計算要求，需要提取每種工況下模型的應(yīng)變及應(yīng)力云圖，整機綜合應(yīng)力最大的無風(fēng)工況、有風(fēng)工況及特殊工況下的的應(yīng)力云圖如圖3所示．

(a)無風(fēng)工作工況下，最大應(yīng)力為105.678 MPa

(b)有風(fēng)工況下，最大應(yīng)力為108.067 MPa

(c)特殊工況下，最大應(yīng)力為187.291 MPa圖 3 各工況下最大應(yīng)力云圖

5 結(jié)論

主梁、海側(cè)門框、多根拉桿等的制造材料均為45鋼，考慮安全系數(shù)該材料的許用工作應(yīng)力取為200 MPa，由應(yīng)力云圖知這些結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力為120.395 MPa，低于制造材料的許用應(yīng)力[5]．結(jié)構(gòu)在主要方向上的變形量，均控制在允許的范圍之內(nèi)．該起重機結(jié)構(gòu)設(shè)計基本合理，材料選用得當，通過校核驗算．

[參考文獻]

[1] 張朝暉.ANSYS11.0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實例解析[M].北京：機械工業(yè)出版社,2008.

[2] 全國起重機械標準化技術(shù)委員會.GB10183-88 《橋式和門式起重機制造及軌道安裝公差》 [M].北京：中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，1988．

[3] 全國起重機械標準化技術(shù)委員會.GB/T 3811-2008《起重機設(shè)計規(guī)范》 [M].北京：中國標準出版社，2008.

[4] 大連起重機器廠. GB/T14405-93《通用橋式起重機》 [M].北京：中國機械電子工業(yè)出版社,1993.

[5] 陳瑋璋.起重機械金屬結(jié)構(gòu)[M].北京：人民交通出版社, 1986.