高效自动化码头低架桥结构垂直挠度分析

摘 要:为验证某高效自动化码头低架桥结构设计的合理性,利用ANSYS建立有限元模型,对其进行静力特性计算. 比较用挠度数学模型计算出的理论值与用ANSYS计算的结果,表明该模型建立正确. 研究表明垂直挠度比结构强度更难以满足实际工况的应用要求.

关键词:低架桥; 垂直挠度; 静力特性; 有限元; ANSYS

中图分类号:TH213.8; O241.82

文献标志码: A

Perpendicular deflection analysis on truss bridge structure of efficient automated terminal

MA Xiao,YANG Yongsheng,FU Maohua,LIU Taowei

(College of Logistics Eng.,Shanghai Maritime Univ.,Shanghai 200135,China)

Abstract:To validate whether a truss bridge structure of efficient automated terminal is rationally designed,the finite element model is built for truss bridge structure of efficient automated terminal by ANSYS . And the static character is calculated. The theoretical values calculated by the mathematical model of deflection are compared with the results obtained from ANSYS. The comparison shows the correctness of the established model. The study indicates that the perpendicular deflection is harder to satisfy actual working condition than structure intensity.

Key words:truss bridge; perpendicular deflection; static character;finite element; ANSYS

0 引 言

高效自动化码头低架桥结构主要采用桁架梁结构形式,在重载荷､长行程､重复作业量大等复杂条件下运行.此低架桥装卸系统主要包括:至少2条平行于岸边集装箱起重机大车轨道的低架桥,低架桥轨道架上方布置起重小车轨道及起重小车,轨道架内侧布置平板小车轨道及平板小车,其主要作用是将从船上卸下的集装箱中转到集装箱堆场.按照自动化码头的实际工作状况,选取工作载荷比较大的14种工况进行计算,然后确定最大应力和最大垂直挠度.根据文献[1]和[2],分析其结构强度和垂直挠度是否符合实际工况的应用要求.

1 有限元模型建立

1.1 系统描述

低架桥共建成两跨,两侧分别为单轨道桁架梁,中间为双轨道桁架梁.两侧桁架梁的内侧布置一高一低2条轨道,中间横架梁两侧各布置一高一低2条轨道,分别作为上层起重小车和下层平板小车的运行轨道,保证上下层小车互不干涉地交叉运行.

低架桥应用在岸边集装箱起重机后下方,每段桁架梁的连接处由立柱支撑,承接岸桥卸下的集装箱,并完成集装箱在垂直岸桥轨道水平的远距离运输,因此,其长度应与码头匹配,模型仅取其中的1个自然段进行分析.低架桥整体装卸系统见图1.

1.2 模型建立

低架桥集装箱装卸系统包括上层起重小车､低架桥､下层平板小车和地面堆场平板小车4部分.其中,起重小车和平板小车在运输机械的发展过程中已经趋于成熟,本文只对新型低架桥结构进行静力特征分析.

在ANSYS中对低架桥结构建模.ANSYS提供约200种单元模型,因低架桥设计结构为近似箱形梁的桁架结构[3],故采用单元模型中的3节点BEAM189梁单元[4],这样建立的模型较为真实且计算结果准确.

三跨桁架梁按照实体尺寸建立模型,见图2和3.

模型中所采用的单元类型及参数见表1.

2 静力载荷

低架桥受力分类为:(1)低架桥自身重力;(2)运行机构(上层起重小车包括吊具､吊架和下层平板小车)重力;(3)承载载荷(包括静载荷和动载荷),偏载的影响;(4)惯性力F=ma(起､制动时加速度影响);(5)侧向力S=λ[SX(]L[]BА篇p min ,式中L为上层起重小车跨度,B为上层起重小车轮距,λ为因数,根据文献[1]选取0.03,А篇p min 为最小轮压侧的轮压之和.

因为在工况计算时有动载状态,而在ANSYS里用静力计算,因此施加载荷时,根据欧洲起重机设计规范[5],动力载荷用静力载荷乘以相应的因数来替代.根据文献[5]给定的载荷因数见表2.

按照以上分布原则,对工况(4)的运行状态具体说明:海侧低架桥装卸线在将集装箱卸到低架桥平板小车上时,卸箱瞬间有冲击载荷,场侧上层起重小车起吊集装箱,下层平板小车未离开.

3 垂直挠度数学模型

比较建立挠度数学模型的计算结果与ANSYS计算结果,综合验证在ANSYS里建立模型的正确性.由于低架桥模型的整体结构比较复杂,因此在手工计算时需要在一定基础上简化模型.简化结构中的斜撑杆件,取低架桥的4个主要横截面进行计算.

4.1 计算14种工况的应力和垂直挠度

工况(1):1号线的集装箱从岸边集装箱起重机卸到下层平板小车上(瞬间冲击最大时刻);2号线的下层平板小车满载运行.

工况(2):1号线的集装箱从岸边集装箱起重机卸到下层平板小车上(瞬间冲击最大时刻);2号线的上起重小车运行过中点.

工况(3):1号线的集装箱从岸边集装箱起重机卸到下层平板小车上(瞬间冲击最大时刻);2号线的上起重小车等待,下平板小车满载到达.

工况(4):1号线的集装箱从岸边集装箱起重机卸到下层平板小车上(瞬间冲击最大时刻);2号线的上起重小车起吊,下平板小车未离开.

工况(5):1号线的集装箱从岸边集装箱起重机卸到下层平板小车上(瞬间冲击最大时刻);2号线的上起重小车卸下集装箱到堆场,平板车减速冲击.

工况(6):1号线的下平板小车满载运行;2号线的下平板小车满载运行.

工况(7):1号线的下平板小车满载运行;2号线的上起重小车过运行中点.

工况(8):1号线的下平板小车满载运行;2号线的上起重小车等待,下平板小车带箱到达.

工况(9):1号线的下平板小车满载运行;2号线的上起重小车起吊,下平板小车未离开.

工况(10):1号线的下平板小车满载运行;2号线的上起重小车卸下集装箱到堆场,平板车减速冲击.

工况(11):1号线的上起重小车运行过中点;2号线的上起重小车运行过中点.

工况(12):1号线的上起重小车运行过中点;2号线的上起重小车等待,下平板小车满载到达.

工况(13):1号线的上起重小车运行过中点;2号线的上起重小车起吊,下平板小车未离开.

工况(14):1号线的上起重小车运行过中点;2号线的上起重小车卸下集装箱到堆场,平板车减速冲击.

其中,一侧低架桥中间作业线为1号线,另一侧为2号线.

对工况(4)的计算结果见表4及图4.

DL为桁架梁自重(单轨道梁为32.14 t,双轨道梁为39.89 t,方钢轨道为2.46 t);

ULL为上层起重小车额定吊载80 t;

ULLE为上层起重小车额定吊载80 t,考虑10%偏载;

UTL为上层起重小车自重70 t;

ULS为上层起重小车吊具及上架自重21 t;

ULATT为上层起重小车运行惯性力;

USKT为上层起重小车偏斜行走引起的侧向力;

DLL为下层平板小车额定载荷80 t;

DLLE为下层平板小车额定吊载80 t,考虑10%偏载;

DTL为下层平板小车自重20 t;

DLATT为下层平板小车运行惯性力;

DSKT为下层平板小车偏斜行走引起的侧向力.

图5和6是刚度的计算结果,即在x,y,z方向上的位移,在y方向上的位移就是垂直挠度,在z(沿轨道方向)方向的位移对结构整体影响不大.

14种工况计算结果见表5.由于要考虑小车在运行过程中低架桥垂直挠度的变化,选取表5中载荷大且有动态过程的工况进行分析.

海侧低架桥装卸线岸边集装箱起重机卸箱到下层平板小车,场侧下层平板小车满载等待,选取上层起重小车在运行到卸箱点过程中位于载荷点1,2,3瞬态位置对垂直挠度进行计算,其计算结果依次见图7~9和表6.

根据垂直挠度的数学模型,在工况3中的载荷点2处,y方向垂直挠度理论计算值为 32.92 mm ,接近ANSYS的计算值,说明该模型的建模与计算比较准确,也说明ANSYS计算的准确性.

4.2 结果分析

实际结构的材料为钢Q345,根据文献[5],除以保险因数(1.3~1.5),可知230 MPa以下即为允许状态.14种工况中应力最大值为207.20 MPa,因此在允许范围之内.而垂直挠度中最大值为 32.05 mm.根据规范,最大挠度要在低架桥跨度的1/700~1/1 000范围内,即最低限度为32.00 mm.但是由于低架桥跨度大,单跨长为32 m,在加载时容易产生垂直挠度过大的问题.垂直挠度接近许用值,对于整体结构影响会比较严重:(1)会扩大整个结构的振动幅度;(2)相应的内应力会增大,加速局部裂纹扩展,降低使用寿命;(3)影响空载或加载后的小车运行状态[6].

5 结 论

经过多次对自动化码头低架桥结构的静态特性计算,得出以下结论:(1)低架桥运行时的刚度比强度更难以满足要求;(2)在工况4下运行时低架桥结构的垂直挠度和应力是所有工况中的最大值;(3)低架桥上起重小车和平板小车运行到跨中位置时,应力和垂直挠度明显比其他位置要大.

参考文献:

[1] 起重机 设计手册编写组. 起重机设计手册[K]. 北京:机械工业出版社,1998.

[2] 钢结构 设计规范编制组. 钢结构设计规范[S]. 北京:中国计划出版社,2003.

[3] KERR A D,COX J E. Analysis and test of bonded insulated rail joints subjected to vertical wheel loads[J]. Int J Mech Sci,1999,41(1):1 253-1 272.

[4] 龚曙光 . ANSYS基础应用及范例解析[M]. 北京:机械工业出版社,2003:80-82.

[5] 潘钟林 ,译.欧洲起重机械设计规范[S]//上海振华港口机械公司译丛,1998.

[6] 吴晓源 ,王一飞,李辉. 打桩船桩架结构强度有限元分析[J]. 计算机辅助工程,2006,15(S1):20-24.

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