關于岸邊集裝箱起重機結構輕量化設計及可靠性分析

呂瑞軍

[摘 要]在國際各港口碼頭，到處都能夠看到岸邊集裝箱起重機的身影，它成為港口碼頭使用的重要機械之一，尤其是隨著近幾年來我國與世界各國的貿易增多，岸邊集裝箱起重機的適用范圍也是逐漸擴大。因此，合理設計岸邊集裝箱起重機的結構，實現輕量化和高可靠性是我們研究的重點。在岸邊集裝箱起重機的主結構分析中可以發現鋼材的使用量是影響整個起重機重量的關鍵，所以我們要對起重機的主結構進行輕量化設計。在現有的集裝箱起重機的設計方案中鋼材的占比高、材料浪費嚴重是普遍存在的問題。本文依托ANSYS平臺，對岸邊集裝箱起重機的主結構進行研究，包括主結構截面尺寸方面和受力方面。在滿足集裝箱起重機主結構的強度、剛度均符合許用值的前提下盡可能的使主結構總質量最小，達到輕量化的目的。在滿足了強度、剛度方面之外，我們還需要利用ANSYS 軟件概率分析功能對優化后主結構進行可靠性分析，確保各個方面均達到要求后，最終真正實現輕量化設計的目的。

[關鍵詞]集裝箱起重機 輕量化設計 起重機結構

中圖分類號：V237 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）27-0326-01

一、輕量化設計

隨著經濟的迅速發展，各國與各國之間的對外貿易往來也逐漸的增多，尤其是近幾年來我國同其他國家的貿易往來增加，港口碼頭各種裝卸貨物的設備作用就顯得更加重要了。岸邊集裝箱起重機作為重要的碼頭裝卸設備更加值得我們深刻的研究。隨著國際貿易的迅速發展，運輸集裝箱的船舶也出現了大型化的趨勢，這就要求岸邊集裝箱起重機的主結構也相應大型化設計，同時其主結構部分質量占整機的質量比例高，鋼材的單價也不斷上漲。因此，為了獲得更大的經濟效益，對岸邊集裝箱起重機進行輕量化的設計迫在眉睫。下面就以常規的岸邊集裝箱起重機為研究對象，對它的主結構進行分析：前伸距63m，后伸距20m，大車軌距30m，基距20m，材料Q345鋼。利用Beam188單元和Mass21單元在ANSYS中進行參數化建模，并模擬各種不同的實際工況對岸邊集裝箱起重機進行分析，各種實際工況包括動力學工況也包含靜力學工況。通過分析之后我們可以發現，有三種工況是處于三個不同位置的靜剛度。而另外其他工況是小車處于不同位置的靜強度。當然我們分析得到的這些結論是在只考慮額定起吊質量的情況下分析的。

從表1我們能夠看出各工況的應力、應變在滿足規范的要求下，還有一些多余的成分。我們有必要對岸邊集裝箱起重機主結構進行輕量化設計，從而降低生產成本，提高產品性價比。我們將主結構的最小質量確立為主函數，各工況的應力和應變值為狀態變量，使其小于許用值。并且選擇各主結構部件橫截面的高度值寬度值作為設計變量，比如大梁立柱等。把各個變量的取值確定在一個合適的范圍內。而且我們通過精度較高的一階方法進行疊算，并最后取得最精準的取值。然后我們將優化結果進行取整處理，并最后對得到的結果進行分析。通過分析來比較優化前與優化后結果的差異存在。為了方便觀察比較我們將優化后的數據列入表中與優化前的數據進行對比，以便于更好的發現問題、解決問題。

表2是優化前后靜力學分析結果對照表。從表2中我們可以看出優化后的主結構在各種工況下，其最大的應力、應變值明顯高于優化前的數據。并且各項數據均滿足要求。岸邊集裝箱起重機主結構質量由之前的896541kg減少到優化后的859452kg。陸側立柱截面的寬度和大梁截面的寬度均有所減少，各板板厚均減小至設定的最小值。

二、優化設計結果可靠性分析

對岸邊集裝箱起重機進行輕量化的設計是一個復雜的過程，構成起重機的部件很多，大到主結構的大梁，小到細微的散零件，其中重要的組成部件一旦發生扭曲變型，那么將會導致整個的截面形狀發生改變。如果截面形狀一旦發生改變就會引起眾多與其配合的零件發生連接形式上的失效。下面我們對主結構中各板的厚度進行優化處理，而其自身的外形尺寸不發生變化。并且針對不同厚度的板我們優化的尺寸范圍也各不相同。在輕量化的設計過程中一些相關的其他變量也是能夠影響研究結構的，為此我們在輕量化設計的過程中引入一些，比如：材料強度、材料尺寸等變量。引入其余變量分析后并不能確保其整體的結構符合我們的標準，為了使我們的分析具有全面代表性，我們還要對優化后的岸邊集裝箱起重機主結構的一些不確定因素進行分析。其形式為：Z=G（X）=R-S。X就代表隨機的變量，X我們就將取值為1、2、3，R就代表的是結構抗力，而S就是結構的綜合效應。當我們發現G值大于0的時候此時就說明我們的結構是處于相對安全的狀態。我們觀察G值的大小，當發現G≦0時，此時，我們就要對結構進行分析，出現這種情況通常結構表現為失效狀態。蒙特卡羅法和響應面法就是我們采用的來處理時效結構常用的方法。蒙特卡羅方法（Monte Carlo method），是我們經常使用的統計模擬法，是在二十世紀中期被提出來得，蒙特卡羅法的應用面非常廣泛，并且他有一個極好的優點就是只要我們的模型準確，并且進過多次的試驗，模擬足夠多的例子，得出的結果是非常有可信度的。而響應面法區別于蒙特卡羅法，它是通過一系列的確定試驗來模擬極限狀態的一種方法。

三、輕量化設計的意義所在

基于各項研究的數據，從中我們可以觀察到利用ANSYS軟件對岸邊集裝箱起重機的主結構進行輕量化的設計，其優化后的結構質量明顯下降。并且經過優化，岸邊集裝箱起重機主結構的強度和剛度得到了合理的利用。充分利用了主結構整體性能，實現了整機自重減少，產品成本降低，效益增加的目的。

結束語

我們對岸邊集裝箱起重機主結構進行的研究，提取各種有價值的數據對其進行分析，可以明顯的觀察到結果，優化后的大梁有明顯的輕化，減少了材料的使用量，且在優化以后強度剛度等各方面均在規范要求的許用值之內。而且通過文中的數據我們可以看到，大梁的剛度條件得到了充分的利用，如果我們進一步調整一下拉點的位置，并把變形之間的問題協調好，這樣材料的利用率就更高了。本文研究的是基于ANSYS平臺，對岸邊集裝箱起重機主結構進行的簡單研究和分析，如果對其進行全方位的探究還需要我們進行更加深刻的研究。利用ANSYS平臺研究分析的岸邊集裝箱起重機的主結構計算滿足規范要求，實現了主結構鋼材的合理化使用。通過一系列的研究我們對岸邊集裝箱起重機達到了輕量化設計的目標，有效降低了企業的生產成本，提升了經濟利益，對于企業的可持續化發展有著重要的意義。

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