基于缩尺模型的桥式抓斗卸船机安全评估研究.doc

分类号：TH2U D C：621密学级：公开号：2111106347 广 东 海 洋 大 学硕 士 学 位 论 文基于缩尺模型的桥式抓斗卸船机安全评估研究王超指导教师：谭光宇教授申请学位类别：工学硕士专研学业究院名方名称：机械制造及其自动化向：数字化设计与制造技术称：工程学院中国湛江2014年 6月 基于缩尺模型的桥式抓斗卸船机安全评估研究摘要桥式抓斗卸船机在作业过程中存在反复启动和制动，各结构件经常承受比较强烈的振动和冲击，所以，整体钢结构的强度计算和稳定性控制变得非常重要。但是，由于卸船机结构庞大、工作环境恶劣，受到人力、经济和设备能力的限制，现场试验难以组织。为了以较低的试验成本，为卸船机的设计、制造、维护和维修等提供相关理论依据和试验数据，本论文以湛江港在役的 2250t/h型桥式抓斗卸船机（以下简称卸船机）为具体研究对象，对其开展静力与动力相似理论分析、缩尺模型设计与制作、三维有限元建模与仿真以及模型试验等系统研究。具体方法、结果及结论如下：通过大量收集国内外港口起重机的相关资料，系统了解港口起重机研究现状和发展趋势；实地勘查 2250t/h型桥式抓斗卸船机，掌握该型号卸船机的工作原理、结构组成、主要技术参数和载荷类型等。在此基础上，根据相似原理，运用量纲分析法推导该卸船机在多种因素影响下的静力和动力相似准则，为其缩尺模型的设计、制作以及相似性判定提供理论依据。综合卸船机的静力和动力相似理论分析结果，完成其 1:40缩尺模型的设计，并用 Pro/E画出整体装配图和所有零件图，最后选用合适的型材制作卸船机钢结构的实物缩尺模型，为后面的模型试验研究打下了基础。在完成卸船机钢结构缩尺模型的设计和制作基础上，用 Pro/E分别建立了卸船机原型及其缩尺模型的三维实体模型，并导入 Ansys Workbench建立两者的三维有限元模型。首先，对两者分别进行了结构静力分析，比较两者的应力场和应变场，验证了静力相似准则的正确性；其次，对两者分别进行了模态分析，对比两者的模态振型和模态频率，验证了动力相似准则的正确性。以上研究为卸船机的设计、制造和维护提供相关理论依据。根据卸船机原型及其缩尺模型的有限元分析结果，对制作出的卸船机钢结构缩尺模型开展了应力应变特性研究和模态试验研究：通过应力应变特性试验研究，获得了模型俯仰梁与前拉杆上 5个测点在满载荷的抓斗从抓料位置运动至卸料位置过程中的应变-时间历程曲线，将试验结果与有限元结构静力分析结果对比，吻合较好，验证了卸船机缩尺模型的合理性和结构静力分析结果的正确性；通过模态试验研究，获得了模型俯仰梁端部、主梁端部和塔架最高处三个测点的三向振动幅频特性曲线，识别得出各测点在三个方向上的固有频率，与缩尺模型的有限元模态分析结果吻合较好，验证了模型的合理性和模态分析结果的正确性。I 综合以上研究，得出结论：本文设计制造的卸船机缩尺模型符合静力和动力相似准则；可以将该模型上的试验数据推算到原型上，为卸船机的设计制造、维护维修和安全评估等提供数据。关键词：卸船机，相似准则，缩尺模型，有限元，安全评估II The Safety Assessment by Using the Reduced ScaleModel of Bridge-Type Grab Ship UnloaderAbstractIn the process of the bridge-type grab ship unloaders working, it starts and brakesrepeatedly so that the steel structure suffers from relatively strong vibration and shockfrequently. Therefore, its very important to calculate the mechanical strength and maintainthe overall stability of the steel structure. However, to the large structure of the shipunloader, there are complex loading and poor working conditions. Unfortunately, themanpower, economy and the capacity of equipment are limited. So its difficult to organizefield trial. In order to reduce the test costs to make the design, manufacture, maintenance ofthe ship unloader possess related theoretical basis and experimental data, this paper takes a2250t/h bridge type grab ship unloader serving at Zhanjiang harbor as the specific object ofstudy and undertakes a series of studies on it such as analysis of its static and dynamicsimilarity theory, design and production of its scale model, modeling its three-dimensionalfinite element, simulation and conduction of model tests and so on. The specific researchmethods, results and conclusions are as follows:Through collecting considerable information about the port crane at home and abroadto understand the research status and development tendency; Through a field investigationon the 2250t/h bridge type grab ship unloader serving at Zhanjiang port to master theoperating principle, composition of structure, main technical parameters and load type ofthe ship unloader. On these basis, according to the similarity principle to deduce the staticand dynamic similarity criterion of the ship unloader affected by extraneous factors byusing dimensional analysis method. The similarity criteria provides theoretical basis toassist the design and manufacture of the similar scale model.According to the static and dynamic similarity criterion of the 2250t/h Bridge-typeGrab Ship Unloader, a 1/40 scaled-down model was designed and the assembly diagramand all parts drawing were drawn by using Pro/E software. Finally, a physical scale modelof the ship unloader steel structure which lays the foundation for the latter test researchinto the model was made by using appropriate sectional materials.On the basis of finishing designing and producing the scale model of the shipunloaders steel structure, Pro/E was used to establish the three-dimensional solid model ofthe ship unloaders prototype and its scale models, and Ansys workbench was used toIII establish their 3D finite element models. Firstly, the static structural analysis of both wascarried out and the stress and strain fields were compared to verified the correctness of thestatic similarity criteria. Secondly, the modal analysis of both was carried out and themodal shape and frequency were compared to validate the correctness of dynamicsimilarity criterion. The research above provides theoretical basis to assist the design,manufacture and maintenance of the ship unloader.According to the results analyzed by Ansys work bench, experiment research into tothe strain characteristic and modal of the scale model of the ship unloader steel structurewas carried out. Through the strain tests in this model, we got the strain-time history curveof the five points on the boom and forestay in the process of the grabs movement from thelifting position to the hopper position. The experimental results are in good agreement withthe computed results and they verify the rationality of the scale model and the correctnessof the analysis results about structural static; Through modal experiment research, thecurves of amplitude-frequency characteristics on the three directions of the end of the front,back girder and the tower top are obtained. The natural frequency identified are in goodagreement with the the computed results which verify the rationality of the model and thecorrectness of the analysis results about modal.According to the research above, we can draw the conclusion that the scale modeldesigned and manufactured is relatively in line with the static and dynamic similaritycriterion and the the test data in this model can be translate into prototypes, which providetest data to assist the design, manufacture and maintenance of the ship unloader.Key words: ship unloader, similarity criterion, reduced scale model, finite element, safetyassessmentIV 目录摘要 .IAbstract . III1绪论 . 11.1抓斗卸船机 . 11.1.1抓斗卸船机的地位和作用 . 11.1.2桥式抓斗卸船机 . 11.2国内外港口起重机研究现状与发展 . 21.3模型试验的发展和应用 . 41.4研究目的和意义 . 51.5研究内容和方法 . 51.5.1研究内容 . 51.5.2研究方法 . 62 2250t/h型桥式抓斗卸船机缩尺模型的设计与制作 . 82.1概述 . 82.2模型试验理论基础 . 82.2.1相似原理 . 82.2.2量纲分析 . 92.2.3模型设计 . 102.3 2250t/h型桥式抓斗卸船机.112.4 2250t/h型桥式抓斗卸船机缩尺模型设计. 132.4.1卸船机静力相似理论分析 . 132.4.2卸船机动力相似理论分析 . 142.4.3模型设计结果 . 172.5 2250t/h型桥式抓斗卸船机缩尺模型制作. 182.6本章小结 . 193卸船机原型及其缩尺模型的有限元分析 . 203.1概述 . 203.1.1有限元分析 . 203.1.2有限元软件 ANSYS. 203.1.3 ANSYS Workbench. 203.2三维实体模型和有限元模型的建立 . 203.2.1三维实体模型的建立 . 213.2.2有限元模型的建立 . 223.3卸船机钢结构静力分析 . 233.3.1结构静力分析流程 . 23 3.3.2载荷与约束 . 243.3.3求解结果与分析 . 243.4卸船机钢结构模态分析 . 283.4.1模态分析的作用与流程 . 283.4.2载荷与约束 . 283.4.3求解结果与分析 . 283.5本章小结 . 334卸船机缩尺模型应力应变试验 . 344.1概述 . 344.2试验目的和意义 . 344.3试验仪器和设备 . 344.4试验方案和步骤 . 354.5试验结果与分析 . 385卸船机缩尺模型模态试验 . 415.1概述 . 415.2试验原理 . 415.3测量分析系统 . 425.4试验设计要点 . 435.5试验结果与分析 . 455.6本章小结 . 496全文总结与展望 . 506.1全文总结 . 506.1.1研究内容及结果 . 506.1.2创新点 . 516.1.3存在的问题 . 516.2展望 . 52参考文献 . 53致谢 . 56作者简介 . 57导师简介 . 58 广东海洋大学硕士学位论文1绪论随着全球经济的发展，世界范围内的散料运输量越来越大，海运则是国际经济贸易中最主要的运输方式。据相关资料统计，全球贸易总运量中 2/3以上以及我国进出口货物的绝大部分都是通过海运方式实现的。海运的实现离不开港口，而港口企业已成为我国现代物流体系中的重要环节，在促进商品流通、国民经济和社会发展中有着十分重要的地位和作用1。随着港口的发展，对港口起重运输机械的工作效率也提出越来越高的要求，这需要港机的设计、制造、维护和保养等总体水平的全面提升来得以保证。中国加入 WTO后，国内一些主要的大宗散货如煤炭、矿石和粮食等的海运量与日俱增，与此同时，散货装卸船机的需求量也大幅增加。散货装卸船机因为在作业过程中存在反复启动与制动，各个结构件经常承受比较强烈的振动和冲击，所以，钢结构整体的强度计算和稳定性控制变得非常重要，这也给其设计和制造带来新的问题和挑战。1.1抓斗卸船机1.1.1抓斗卸船机的地位和作用2008年，湛江港的货运量突破亿吨，已成为粤西乃至环北部湾第一个亿吨大港。在港口物流的接卸设备中，除谷物常用连续式卸船机外，大宗干散货广泛以桥式抓斗卸船机作为主要卸船设备：如电厂燃料煤和钢铁厂铁矿石的接卸等。与连续式卸船机相比，抓斗卸船机既存在优势，也有其劣势。抓斗卸船机的优势主要体现为：技术发展成熟、作业过程受波浪影响小、机动灵活性好以及装卸效率高等。其最大起重量可达 85t，工作效率可达 4200t/h6000t/h，其工作对象可为 30万吨级以上的船舶2。抓斗卸船机的劣势主要体现为：间歇式作业，即工作过程中空程占了一半，这样的作业方式容易导致堵料和溢料等问题。此外，目前还没有比较理想的防尘措施，卸料时会产生大量灰尘，不利于环境卫生和环境保护。虽然抓斗卸船机存在一些缺点，但从长远来看，国内北煤南运的客观条件、钢铁生产需要进口大量铁矿石以及南方各港口和各电厂的发展建设等形势,决定了抓斗卸船机的需求量依然很大。在过去的十年时间内,国内用户占据了国际上抓斗卸船机市场的一半3。随着全球经济贸易的发展，可以预言，今后较长时期内，在港口大宗散货装卸作业中，抓斗卸船机仍将占有重要地位。1.1.2桥式抓斗卸船机桥式抓斗卸船机是依靠小车沿水平主梁的运动来实现作业的，主要由产生运动的机构、承受载荷的金属结构、提供动力和起控制作用的电气设备及各种安全指示装置1 基于缩尺模型的桥式抓斗卸船机安全评估研究等四大部分组成4。其中金属结构主要由主梁、端梁、门腿和拉杆等构件焊接或铰接组成，它们是卸船机的支持构架，主要用来支撑工作机构自重和外载荷。桥式抓斗卸船机的工作过程为：抓斗从船只内抓取货物，经过垂直和水平复合运动至料斗上方，然后打开放料，物料通过振动给料器落至下方的带式输送机上或运输车辆中。桥式抓斗卸船机的抓斗完成一个工作循环需要几十秒到几分钟不等，如图1-1所示。近年来,人们对降低散货海运成本和提高散货运输效率的追求，以及超级大型港口的建设对大型抓斗卸船机的发展都起到了推动作用。大型、高效、低污染、易维护以及高可靠性正是抓斗卸船机的发展方向5。图1-1桥式抓斗卸船机工作图1.2国内外港口起重机研究现状与发展起重机械的工况载荷都具有短暂、重复和多变等特点，桥式抓斗卸船机也不例外，故对其开展承载性能和安全性评价显得非常重要。目前，对金属结构进行安全性评价的基本理论与方法有6：基于现代非线性理论和方法的理论计算与仿真；基于CAE的金属结构力学性能评价；基于材料组织和性能分析的金属结构失效机理研究；基于现场实测的金属结构状态综合分析和研究。其中第二种和第三种方法用的相对较多，而第四种方法的具体实施形式有在线评估和定期测评两种方式。前者是在金属结构的关键位置粘贴应变片或振动传感器，检测其应变或振动信号，并用计算机对测得的信号进行计算、处理和分析，得出相关钢结构的疲劳强度、刚度和振动特性等，其结果的准确度与数学模型、信号采集方式和分析方法等有关。后者与前者类似，只是间断实施而已，这种离线评估方式是根据实际需要确定检测周期和选择检测内容的，该方法不但工作繁琐，而且检测结果只能反映金属结构在检测时刻的状态。港口装卸船机金属结构的两种评估方式都具有很强的专业性，在线评估方式比较准确，但2 广东海洋大学硕士学位论文系统费用昂贵，并需要注意保养或更换传感器等；离线评估方式的费用较低，但因为只能采集一定量的数据，分析结果往往缺乏可靠性，且测试过程中需停止生产，导致生产效率降低7-10。从研究方法的角度看，国内不少学者通过建立卸船机相关结构的有限元模型，对其进行结构静力分析、动力分析、模态分析和屈曲分析等，结合试验结果，为卸船机结构的设计优化、维护维修等提供依据。如王勇11以宝山钢铁股份有限公司运输部原料码头二、三期卸船机为研究对象，建立了其整体钢结构模型，对其强度和振动特性进行分析并根据分析结果确定了模型局部的计算位置和数量，最后对模型局部进行分析，得到一些关键点位置，为检测应力应变和振动信号等采集位置的确定提供依据。陈磊12对大型集装箱岸桥进行了有限元地震响应分析，为其抗震设计提供相关依据。臧照良13针对一个已经建成的集装箱岸桥模型，进行模型试验分析和有限元动力特性分析，并把岸桥模型的动力特性计算结果和试验结果进行对比和修正，用模型实验仿真岸桥在各种工况下的技术状态，为岸桥的设计和应用提供指导。刘广军14为解决抓斗卸船机动态冲击响应特性及疲劳寿命预估问题，针对 2250t/h大型抓斗卸船机，以机械、材料、力学等理论为基础，运用计算机仿真方法对卸船机进行了工作特性研究和疲劳寿命预估。郑培15结合理论和实际，运用有限元法分析了 2500t/h桥式抓斗卸船机在工作循环中的动力响应问题，为抓斗卸船机及相关大型设备的动力学分析和设计计算提供了参考。张东宝16用 ANSYS分析了单梁双吊钩门式起重机整体钢结构的静强度、静刚度、稳定性和模态特性等。王俊华17运用 ANSYS和 ADAMS软件对小车运行在大车运行方向产生的激振力进行了研究，得出了该水平力产生的原因、大小和特征等，为卸船机的设计提供依据。朱广播18利用有限元法对 3500t/h连续卸船机的门座部分进行了结构强度和动态响应分析，为门座的结构设计和优化提供依据。在起重机金属结构的安全性评价方面，国内外学者主要是通过构建评价安全性的指标体系，并利用安全性评价方法和一些技术手段，来评价计算结构的安全性和预期寿命。如谭正喜和刘刚19对广州港在役的老龄大型抓斗装卸桥进行了有限元结构静力分析，并实测得到其金属结构的裂纹、锈蚀、维修和疲劳等情况，根据劣化指数理论为其安全性和预期寿命作出评价。单海云 20在确定了港口起重机的技术状态的基础上，计算了其安全使用期限，并用 Visual C+开发出一套针对港口起重机的安全性综合评价系统。刘祥伟21运用模糊层次分析法，建立了造船起重机结构的安全性评估方法，根据领域专家意见确定各项指标的权重，为造船起重机的维护保养提供参考。孙远韬22为了管理港口起重机金属结构的故障，运用有限元、断裂力学理论和定期实测等方法对港机金属结构上的裂纹扩展进行预测并确定了结构件的巡检周期。丁军 23构建了港机金属结构安全性指标体系的构建原则，并提出安全性评价过程。张玉波24提出了基于有限元分析、断裂力学和模糊评价的港口起重机械的安全性评估系统。陈3 基于缩尺模型的桥式抓斗卸船机安全评估研究斌25研究了模糊评价法的评价算法、权重分析、结果利用并分析了该方法在起重机安全性评价上的应用。张玉26根据层次分析法构建了门座起重机整体及其主要结构的安全性评价指标体系，并结合专家意见和层次分析法进行指标量化，在分析了主要构件的安全性的基础上，对整机的安全性进行。Stian Ruud和 Age Mikkelsen分析了国际海事组织提出的综合安全性评估方法的应用和发展现状，并提出了基于风险规则的起重机安全性评估系统27。应力是反映港机金属结构力学特征的重要参数之一，根据结构应力应变的分布状况，就能够大致判断出构件的应力集中位置和承受载荷等情况 2829。常见的金属结构的应力检测方法有：以光纤光栅传感技术为基础的应力检测法；以电阻应变原理为基础的应力检测法。前者的工作原理是：光纤材料具有光敏特性，入射光在纤芯轴方向的折射率会发生周期性变化，从而产生永久性的相位光栅30。当一束光从光纤光栅通过时，满足其布拉格条件的波长会发生反射，其余波长的光则继续向前传输31。后者的工作原理是：当构件受到外力作用而发生机械形变时，其表面的应变片的敏感栅随之产生相同的应变，其电阻值就会发生相应比例的变化，通过转换和测量电路，输出该模拟电信号（电流或电压），最后运用分析设备或计算机将该信号转化为应力应变值32。总之，由于港口卸船机所处环境的恶劣性以及自身结构的巨大性和复杂性，要有效、准确地对其进行技术状态监控和安全性评价，就要综合运用现代数学、力学、机械、材料等理论，以现代化的分析测试手段实现目的33。鉴于有限元分析法的实用性和优越性，目前业内对大型钢结构和工程分析开展的研究很多都借用了此方法。1.3模型试验的发展和应用模型试验的方法很早就有人使用，量纲分析法引入模型设计之后，其系统性发展更是迅速。另外，新型材料的发展应用和量测技术的不断进步也为其创造了发展条件。目前，在汽车、飞机和宇宙航行器等研制的过程中，模型试验方法的应用已非常普遍，远远超过了在土木工程领域里的应用现状。模型试验的应用主要有：（1）代替或辅助大型结构试验。由于受到现场、人力和物力条件的限制，许多结构庞大，受力复杂的结构物常用模型试验代替。（2）作为结构分析计算的辅助手段。设计计算一些受力较复杂的结构时，模型试验常常能突破局限，为结构设计的改善和计算方法的验证提供依据。（3）验证或促进结构设计理论的发展。模型试验针对性强，所以在提出一些新的设计计算理论和方法之前，可以用结构模型试验来验证。由于模型制作时，尺寸上存在一定误差，故常常将模型试验结果与仿真结果或理论计算结果进行对比验证和校核。此外，模型试验很难模拟结构件局部细节的状态，如焊缝特性、焊接接头和残余应力等。4 广东海洋大学硕士学位论文1.4研究目的和意义由于全球铁矿和煤炭资源的区域分布与需求很不相称，加上经济增长对电量需求的快速增加以及钢铁工业向发展中国家转移等原因，导致铁矿石或煤炭等散货的海运量与日俱增10。尤其是近年来石油价格居高不下，更加剧了煤炭运量的增长，因此，专业化码头的地位显得越发重要34。桥式抓斗卸船机因具有效率高、运营成本低以及对散货与船舶种类的变化适应强等优点，被广泛应用在散货的装卸过程当中，成为