大型港口機械鋼結構細部處理問題的研究

摘 要：市場經濟的不斷發展，帶動了大型港口機械制造行業在我國的迅速發展，由于行業的特殊性，其具有典型的規模經濟的特點，需要投入大量的規定資產和資金，才能夠完成大規模的生產。近年來，隨著港口行業的快速發展，港口機械的運用也日漸廣泛，對于港口機械的結構也提出了更高的要求。

關鍵詞：大型港口機械；機械設備

卸船機是大型港口機械設備中的一項重要設備，也是具有典型意義的設備。卸船機性能對于整個港口機械設備的工作效率有著十分重要的影響。卸船機的鋼結構承載著整個機械設備的翻重、起升荷載等多方面的重力，因此，該機械設備的鋼結構較為復雜，而且在應力的分布方面也十分復雜。與此同時，由于卸船機的鋼結構受到外伸距變化的影響，在設計的過程中必須要在保證強度和剛度不受影響的基礎上，盡量減輕設備本身的重量。而在鋼結構中，細部結構對于機械本身的安全性有著十分重要的影響。根據實際情況，細部結構處理對整機結構的安全性有重要影響，因此，細部結構處理顯得越來越重要；研究鋼結構動態分析主要以細部處理為主，目的是對細部結構有更深刻的了解，從而設計合理的細部結構以避免發生局部裂紋，確保結構的良好性能。

一、主要載荷和細部處理問題

在通常情況下，卸船機的額定起重量以及生產效率的制定是確保卸船作業順利進行的保證，也是對機械設備進行設計時所參考的標準。在實際的設計過程中，主要是根據抓斗的自重以及抓斗中物料的重量的總和作為機械設備的集中荷載，并且這部分荷載會全部施加在該設備中，因此，如果在細部結構方面不能進行有效的處理，則會導致設備發生局部的承載力不夠，進而發生變形或者是裂紋，甚至由于無法承受荷載而發生倒塌。在卸船機的結構設計中，決定其結構強度的主要結構就是桿件連接的接頭。對于這一部位來說，根據焊接工藝的要求，必須要進行焊接工藝孔的設置和預留，如果工藝孔的位置和大小不夠科學，則根據相關的計算結果進行焊接時，則無法確保工藝孔的施工質量達到標準，從而容易造成工藝孔局部的壓力超過其所能夠承受的膠極限。另外，在日常使用的過程中，這個位置也是容易發生裂縫的位置，因此，必須要加強對細部結構的處理，才能夠保證設備整體的安全性。

二、理論分析

傳統的焊接工藝孔目的是避免3條焊縫匯交于一點，產生應力集中。預留焊接工藝孔確實可以避免焊縫的匯交，然而，焊接工藝孔同時又會產生工藝孔附近區域的應力集中。應力集中是工程中常見的問題，指物體中應力梯度局部增高的現象，一般出現在物體形狀急劇變化的地方，如缺口、孔洞、溝槽以及有剛性約束處。應力集中能使物體產生疲勞裂紋，也能使脆性材料制成的零件發生靜載斷裂。在應力集中處，應力的最大值與物體的幾何形狀和加載方式等因素有關。反映局部應力增高程度的參數有理論應力集中因數，它是峰值應力和不考慮應力。集中時的名義應力的比值，恒大于1，且與載荷的大小無關。對受單向均勻拉伸的無限大薄板中的圓孔，該比值等于3。工程構件的應力集中因數可以通過實驗法和數值法確定。利用ANSYS軟件對含圓孔有限大矩形薄板兩端均勻受拉進行應力分析，得出應力集中因數隨不同的圓孔直徑與板寬比值的變化曲線。通過和彈性力學解的比較，AN-SYS計算出的含圓孔薄板的應力集中解是可靠的。應力集中因數的收斂性與網格劃分的密度有關。矩形薄板的應力集中因數除與徑寬比有關外，還與長寬比有關。當徑寬比趨向0時，應力集中因數趨向預測值3。當長寬比大于2時，不同長寬比的應力集中因數趨向一致，可用近似計算。因此，焊接工藝孔避免了焊縫匯交引起的應力集中，而同時又引起了孔附近的應力集中。

三、模型處理和計算載荷

1.根據設計圖紙監理細部結構的模型，并且利用梁單元和殼單元的聯合運用進行建模。計算荷載的過程是形態的，其應當遵循的原則主要有以下幾個幾方面：

①保證整體鋼結構的整體設計都采用梁單元進行模擬建模；②在細部鋼結構的處理上，堅持使用殼單元進行模擬建模，并且采用梁單元與殼單元聯合實現剛性約束的方式，這也是十分有效、簡潔的方式；③大型行走結構與鋼結構不能夠同時處在一個模型中進行分析；④對立柱低端的約束力進行充分的考慮，確保其能夠向三個方向自由的釋放；⑤需要計算的荷載量除了鋼結構的自重之外，還應當包括節點的重量以及設備工作過程中產生的荷載，三者之和才是最終的荷載值。

2.將模型的支撐作為邊界條件，并保持合適的距離用來傳遞剛度，考慮3個方向的力和3個方向上的彎矩，然后將各個方向的應力組合，形成一個平均應力，該應力能有效地反映聯接點上的應力分布，可以用來判斷結構的安全性。

四、結語

基于有限元分析的主聯接點計算，可以得到聯接點處的應力不滿足材料的許用應力，根據設計規范，是不符合要求的。必須采取相應的措施來降低應力以滿足材料的許用應力值。由于焊接工藝孔造成局部應力集中，把工藝孔覆蓋是一種降低應力集中的方法。另外增加聯接板的長度也可以有效的降低應力，在集中應力處焊接一塊厚板也是能有效降低應力的方法。

參考文獻：

[1] 重民慧，王悅民.大型港口機械鋼結構細部處理問題的研究[J〕.起重運偷機械，2008（11）.

[2] 李斌，王悅民.大型港口裝船機結構載荷組合及計算[J」.起重運偷機械，2009（3）.

[3] 何津淮.大型港口裝卻機械鋼結構安全性能評估[J].礦山機械，2008（13）.