第２８卷第４期 湖 北 工 业 大 学 学 报 ２０１３年Ｏ８月 Ｖ０１．２８ ＮＯ．４ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｕｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａｕｇ．２０１３ ［文章编号］１００３—４６８４（２０１３）０４—００６９—０３ ８００ ｔ卸船机梁单元模型的多工况有限元计算分析 钟东阶 ，李涛涛 ，张鸿翔 （１武汉科技大学机械自动化学院，湖北武汉４３００８１；２武汉理工大学物流工程学院，湖北武汉４３００６３） ［摘 要］利用ＡＮＳＹＳ软件建立岸桥式卸船机金属结构的梁单元有限元分析模型．根据卸船机正常工作时的不同 工况，分析了起重机承受的外来载荷，并根据实际情况完成了对模型的约束添加．通过模型分析，得到了金属结构在 不同工况下的应力云图和应变云图，实现了整机金属结构的校核． ［关键词］ＡＮＳＹＳ；岸桥卸船机；伸臂梁；工况；应力云图 ［中图分类号］Ｕ６５３．９２８ ［文献标识码］：Ａ 岸桥式卸船机是一种广泛应用于港口、货场、仓 度１２０ ｍ／ｒａｉｎ；下降速度１６０ ｍ／ｍｉｎ；小车运行速度 库的重要装卸设备 川．在设计中，岸桥的外伸距长度 （ＶＴ）１００—１５０ ｍ／ｍｉｎ；大车运行速度（ＶＧ）０—２Ｏ 及门框高度可以相等或不等，这取决于货场具体情 ｍ／ｒａｉｎ；小车制动时间（ｔ ）３．３ Ｓ；大车制动时间（ 况．从整机结构上看，金属结构起着对货物和自身重 ｔ ）６ Ｓ；最大前伸距２０ ｍ；最大后伸距１０ ＩＴＩ；大车 力的主要承重、支撑的作用，属于整机设计的重点部 轨距１４ ｍ；小车轨距３ ｒｎ；工作风速２０ ｒｎ／ｓ；非工作 分． 风速５０ ｍ／Ｓ． 随着计算机技术的飞速发展，有限元技术已经 广泛地应用到了起重机的设计过程中，主要进行起 重机重要构件的静力学分析与强度校核．在运用 ＡＮＳＹＳ软件时，遵循有限元法分析计算的思路：物 体离散化、选择位移模式、分析单元力学特性、集合 所有单元的平衡方程，建立整个结构的平衡方程、求 解未知节点位移以及计算单元应力．通过计算机的 １一主梁；２一海测门框；３一陆侧门框；４一工作房承重梁 内部数据计算，可给定力学环境下的分析结果，完成 图１ ８００ ｔ卸船机结构设计方案图 起重机结构的静力学分析和强度校核． 本文以８００ ｔ岸桥卸船机为原型，运用ＡＮＳＹＳ １．２模型建立 有限元分析软件进行起重机多工况下的静力分析， 综合考虑该桥式起重机整机结构的受力特点， 完成了金属结构的校核工作＿２］． 根据其各部分的结构特点，采用Ｂｅａｍ１８８单元建立 起重机金属结构模型，其中包括海测门框、主梁、陆 １ 有限元模型的建立 侧门框及拉杆等．伸臂梁结构的立体模型见图２． １．１ ８００ ｔ卸船机结构及参数 该岸桥卸船机采用斜拉杆式结构型式（图１）， 且工作房设计于低位，不同于常规的平行于主梁式 工作房布置情况．该设计方案美观、实用，满足设计 要求，减轻主梁结构自重，降低制造成本．该起重机 主要性能参数：生产率８００ ｔ／ｈ；起重量２０ ｔ；起升速 图２ ８００ ｔ卸船机结构计算模型 ［收稿日期］２０１３—０３—３Ｏ ［作者简介］钟东阶（１ ９６５一），男，湖北黄冈人，武汉科技大学机械自动化学院高级工程师，研究方向：机械工程及自动化 ７０ 湖 北 工 业 大 学 学 报 ２０１３年第４期 ２伸臂梁结构载荷情况分析 除了自身重量之外，作用在主梁上的外载荷主 要包括起升载荷、风载荷、大车制动惯性力、小车制 动惯性力等等 ．以单台岸桥起重机作业、起吊重物 为８００ ｔ工况为例． ２．１ 固定载荷 结构自重通过输入杆件质量密度由程序自动计 算，考虑到焊缝等结构，取ｇ一１０ ｍ／ｓ ；机房等以 集中质量形式加在相应节点上； ２．２移动载荷 当卸船机工作时，移动载荷包括主小车（Ｐ ） ６．７５５ ｔ，司机室（Ｐ Ｌｆ）３．６６ ｔ，抓斗连货（ＰＬＧ）２０ ｔ，总载荷（Ｐ Ｌ）３０．１５１． 按各计算工况，移动载荷以集中载荷形式分别 作用在五个不同计算位置：最大前伸距处、前拉杆与 大梁铰处、海侧门框处、料斗卸料位置、海、陆侧门架 之间． ２．３惯性载荷 小车起制动惯性力 ＰＨ 一１．５・（ＰＴｆ｜＋Ｐ ＴＤ＋Ｐ Ｌｃ十 ＰＬＧ）・ａ Ｊ 一３４５９８ Ｎ． 其中ａ Ｌ—Ｖ ／ｔ， 一１５ｏ／３．３ ｍ／ｓ 一０．７５８ｍ／ｓ ． 大车起制动惯性力 ＰＨＧ一（Ｐ（；＋ＰＬＴ＋ＰＬＤ＋Ｐ ＋ ＰＬＧ）・ａＧ一２３５９３５ Ｎ． 其中ａ 一Ｏ．０５×ｇ一０．４９ ｍ／ｓ ．据此算出各种载荷 的大车起制动惯性力；移动载荷因大车起制动而产 生惯性力以集中载荷形式作用在相应节点上；分布 质量因大车起制动而产生惯性力，通过输入大车起 制动加速度值而由程序自动生成，集中质量作用在 相应的节点上． ２．４风载荷 工作风载荷按风速２０ ｍ／ｓ，即风压ｑ一２５０ Ｎ／ ｍ。，非工作风载荷风速５５ ｍ／ｓ，即风压ｑ一１ ８９０ Ｎ／ｍ ． 根据截面积计算得：在工作状态下，沿Ｘ方向 上载荷风载荷大小为１７００３４．７４ Ｎ；沿Ｚ方向上载 荷风载荷大小为１３０５３９．７１ Ｎ；在非工作状态下，沿 Ｘ方向上载荷风载荷大小为１０６２７１７．０９ Ｎ；沿Ｚ方 向上载荷风载荷大小为８１５８７３．１６ Ｎ． ２．５偏斜力 Ｐ ｓＥ １／２・ ・ ：Ｐ 式中：∑Ｐ为受侧向力一侧起重机走轮上的总轮压； Ａ为侧向力系数，根据起重机跨度与基距比Ｌ／Ｂ确 定； １）主小车运行偏斜力ＰｓＫＴ：Ｌ一３ ０００ ｍｍ；Ｂ 一３ ５００ ｍｒｒｌ；Ｌ／Ｂ—ｏ．８５７； —ｏ．０５；∑Ｐ一（１／ ２）・（Ｐ Ｌｒ＋Ｐ ＬＤ＋ＰＬｃ）一１７２７４９Ｎ；Ｐ ＳＫＴ一 （１／２￣∑Ｐ一４ ３１９ Ｎ． ２）大车运行偏斜力Ｐ ｓ Ｇ：Ｌ一１４ ｏ０Ｏ ｍｒｆｌ；Ｂ ＝２０ ０００ ａｒｍ；Ｌ／Ｂ—ｏ．７； —ｏ．０５；∑Ｐ一１／２・ （Ｐ。＋Ｐ』 ）一２ ４００ ０００ Ｎ；Ｐｓ』Ｇ一１／２ ∑Ｐ一 ６０ ０００ Ｎ． ２．６缓冲力 １）主小车缓冲力Ｐ孔：主小车缓冲器型号为 ＨＹＧ２００—２５０，其最大缓冲力Ｐ 一５００ ｋＮ，左右 各一个． ２）大车起制动缓冲力Ｐ ：大车缓冲器型号为 ＨＹＧ２００—２５０，其最大缓冲力Ｐ１ｒ（Ｊ一８００ ｋＮ，左右 各一个． ３ 模型计算 除特别说明外，本次分析全部采用国际单位制． 即：质量，ｋｇ；力，Ｎ；长度，ｔｒｉｍ． ３．１模型预处理 有限元分析计算时需要对所建的模型进行预处 理操作，根据金属结构的材料设定分析模型中材料 的密度、杨氏模量、泊松比等物理量¨３］．由结构材料 Ｑ３４５一Ｂ的基本性质设定：密度ｐ一７．８５×１０ ｋｇ／ ｍｍ。，泊松比 一Ｏ．３０，杨氏模量Ｅ＝＝＝２．１×１０ｊ Ｐａ． ３．２载荷与约束 各受载点所受的载荷均按Ｘ、ｙ、ｚ三个方向分 解，直接施加在作用点．为方便载荷的施加，这里可 采用载荷命令流的方式完成每个模型的加载． 结构自重按照设定的重力加速度ｇ一９．８１ｍ／ Ｓ。，由有限元分析程序自动计人应力影响中，运动惯 性力的影响也采用同样的方法考虑计算． 综合考虑整机实际工作时的运动情况，模型分 析时只需在门腿最下方的节点上施加ｘ、ｙ、ｚ、 Ｘ 、 …Ｚ胁六个方向的自由度约束便可完成模 型的静力分析 ｊ． ３．３ 结果输出 根据分析计算要求，需要提取每种工况下模型 的应变及应力云图，整机综合应力最大的无风工况、 有风工况及特殊工况下的的应力云图如图３所示． 第２８卷第４期 钟东阶，等８００ ｔ卸船机梁单元模型的多工况有限元计算分析 ５ 结论 主梁、海侧门框、多根拉杆等的制造材料均为 ４５钢，考虑安全系数该材料的许用工作应力取为 ２００ ＭＰａ，由应力云图知这些结构的最大等效应力 （ａ）无风工作工况下，最大应力为１０５．６７８ ＭＰａ 为１２０．３９５ ＭＰａ，低于制造材料的许用应力 ］．结构 在主要方向上的变形量，均控制在允许的范围之内． 该起重机结构设计基本合理，材料选用得当，通过校 一 核验算． ［参 考 文 献］ （ｂ）有风工况下，最大应力为１０８．０６７ ＭＰａ ［１］ 张朝晖．ＡＮＳＹＳ１１．０结构分析工程应用实例解析ｔ－Ｍ］． 北京：机械工业出版社，２００８． ［２］ 全国起重机械标准化技术委员会．ＧＢ１０１８３—８８《桥式 一 和门式起重机制造及轨道安装公差》［Ｍ］．北京：中华 人民共和国国家质量监督检验检疫总局，１９８８． ［３］ 全国起重机械标准化技术委员会．ＧＢ／Ｔ ３８１１—２００８ 《起重机设计规范》［Ｍ］．北京：中国标准出版社，２００８． ［４］ 大连起重机器厂．ＧＢ／Ｔ１４４０５—９３｛通用桥式起重机》 ＥＭ］．北京：中国机械电子工业出版社，１９９３． （ｃ）特殊工况下，最大应力为１８７．２９１ ＭＰａ ［５］ 陈玮璋．起重机械金属结构［Ｍ］．北京：人民交通出版 图３各工况下最大应力云图 社，１９８６． Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｂｅａｍ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｏｄｅｌ ｏｆ ８ ０ ０ ｔ Ｓｈｉｐ Ｕｎｌｏａｄｅｒｓ ｉｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ＺＨＯＮＧ Ｄｏｎｇ—ｊｉｅ ＬＩ Ｔａｏ—ｔａｏ ＺＨＡＮＧ Ｈｏｎｇ—ｘｉａｎｇ （１ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＷｕＨａｎ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ｓｃｉ．ａｎｄ Ｔｅｃｈ．，ＷｕＨａｎ ４３００８１，Ｃｈｉｎａ； ２ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ Ｅｎｇｉｎ．，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ｔｅｃｈ．，Ｗｕｈａｎ ４３００６３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｍｅｔａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓｈｏｒｅ ｃｒａｎｅ ｂｒｉｄｇｅ ｓｈｉｐ ｕｎｌｏａｄｅｒ ｂｅａｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｒｍｓ ｏｕｔｓｔｒｅｔｃｈｅｄ ｐｌａｔｅ ｕｎｉｔ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ｗｉｔｈ ＡＮＳＹＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉ— ｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｏｒｅ ｃｒａｎｅ ｂｒｉｄｇｅ ｓｈｉｐ ｕｎｌｏａｄｅｒ，ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ａｎａｌｙｓｅｄ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｌｏａｄｓ ｏｎ ｔｈｅ ｃｒａｎｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｔｈｅ ｎｅｐｈｏｇｒａｍ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄ ｃｈｅｃｋｅｄ ａｌｌ ｔｈｅ ｍｅｔａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡＮＳＹＳ；ｓｈｏｒｅ ｃｒａｎｅ ｂｒｉｄｇｅ ｓｈｉｐ ｕｎｌｏａｄｅｒ；Ａｒｍｓ ｏｕｔｓｔｒｅｔｃｈｅｄ ｂｅａｍ；Ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ；ｔｈｅ ｎｅｐｈｏｇｒａｍ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ［责任编校：张岩芳］