大型港口桥式起重机钢结构动力响应分析

1、大型港口桥式起重机钢结构动力响应分析同济大学 郑 培 卢耀祖 张 氢摘 要:基于ANSYS软件的有限元技术,采用多种单元混合建模进行动力学分析。分别建立了双小车集装箱岸边桥式起重机以及抓斗卸船机的有限元模型,计算这2种港口机械的起升动力响应系数,并与相关起重机设计规范的结构动力响应系数进行分析比较,计算方法和结论可供相关人员参考。关键词:抓斗卸船机;双小车集装箱岸边桥式起重机;有限元分析;动态分析;动力响应Abstract:Thispaparcoversdynamicsanalysisoflargeharboroverheadtravelingcranebasedonmixingdiffere

2、ntele mentsandthepowerfulfiniteelementanalysissoftwareANSYS Finiteelementmodelsofdouble-trolleycontainerover headtravelingcraneandgrabshipunloaderarebuilt,Dynamicresponsecoefficientsofthetwokindsofharbormachinesareworkedoutandarecomparedtothosespecifiedinrelatedcranedesignspecifications,Themethodsan

3、dresultsgiveninthispapercanbeareferencefortherelatedpersonnelKeywords:grabshipunloader;double trolleyquaysidecrane;finiteelementanalysis;dynamicanalysis;dynamicre sponse1 引言近年来为了加快装卸速度,设计制造的双小车集装箱岸边桥式起重机(以下简称双小车岸桥)已在港口投入使用。由于拥有2个独立运行的小车,显然2小车同时进行起升吊载时对结构产生的动力响应将会更加激烈,同时多个加载点对整机的综合影响与一个小车的单激励完全不同。在现今

4、的各类起重机设计规范中还没有相应的动力响应系数规定,只能参考传统的单小车起升时的动载冲击系数。如我国起重机设计标准采用的是1 1的起升冲击系数;欧洲起重机设计规范(F E M)整机结构响应系数是1 2(以钢结构的有害系数的形式出现)。在欧洲、美洲、日本甚至是我国的很多起重机设计及制造厂商(如我国的上海振华港机股份公司、德国的诺尔公司以及法国的科尼公司等)和评估机构(如美国的GBB、Liftech等公司)都是根据F E M作为标准。本文以在某港使用的、目前是我国额定生产率最大的抓斗卸船机(2500t/h)以及在另一港使用的、目前是我国第1台双小车岸桥为模型,对这2种大型港口机械(以下简称港机)的

5、工作流程进行仿真模拟,从而分析这2种港机各个结构部件在不同时间动力响应的变化规律。图1和图2分别描述(的是双小车岸桥和抓斗卸船机的作业循环过程。图1 双小车岸桥作业循环图1 门架小车卸箱回程 2 门架小车提升箱子3 卸箱回程 4 提升箱子图2 抓斗卸船机作业循环图2 结构动力学中的数值方法结构系统的动力响应,主要是系统在动载荷作用下,即强迫振动时,系统产生的位移、速度和加速度的值。结构在外载荷作用下的动力方程为!MU+CU+KU=F(t)式中 M!质量矩阵C!阻尼矩阵K!刚度矩阵F(t)!载荷矢量(1)使用完全法进行瞬态动力学分析包括下列主要步骤:(1)建立模型和初始条件;(2)设定求解控制,

6、在选择Transient后弹出求解方法,选择Full!采用完全法求解;(3)施加载荷,当吊重和小车起制动时由于加速或减速产生的冲击力F=ma,在大梁离散化后,吊重起升与小车的加速、减速阶段以0 5s作为一个间隔,在这0 5s内认为冲击力一直作用于结点上;(4)保存当前载荷步的加载配置并每个载荷步重复步骤1到4;(5)备份数据库文件,开始瞬态求解后并查看结果。3 ANSYS建模概述U!节点加速度矢量U!节点速度矢量U!节点位移矢量ANSYS采用Newmark时间积分方法在分离时间点求解方程。根据动力学方程式(1),当在t时刻的响应xt,xt,xt已知时,可进一步求在时刻t+ t的响应值xt+ t

7、,xt+ t,此时必有xt+ t,Mxt+ t+Cxt+ t+Kxt+ t(2)本文讨论的双小车岸桥和抓斗卸船机结构主要是由箱形梁和圆管组成,有限元建模时采用BEAM44;PIPE16;LINK10;MASS21(结构质量单元)4种单元类型。所建的有限元模型分别见图3和图4。=Ft+ t式中,xt+ t为在t+ t时间间隔内的速度,Newmark方法首先假定其内的加速度为介于xt和xt+ t之间的某一常数,即x=xt+ (xt+ t-xt)(3)于是,对于一般情况取xt+ t以t时刻为原xt+ t=xt+x t(4)点的一阶泰勒展开式将式(3)代入式(4),有x=xt+(1- )xt t+ (

8、x)t+ t t(5)可以同样采用截尾的泰勒展开式写出2xt+ t=xt+xt t+(0 5- )xt t+ xt+ t t(6)选取适当的 和 ,在已知t时刻的各位移向量xt,xt,xt的条件下,即可通过3组控制方程式(2)、(5)和(6)解得经过 t时间后的响应向量xt+ t,xt+ t和xt+ t。已经证明,当 # #(1+ )时,24Newmark算法是无条件稳定的。ANSYS瞬态动力分析提供完全法、模态叠加法和缩减法3种计算方法。完全方法使用了完全的系统矩阵来计算瞬态响应,而不使用简化矩阵。由于本次分析计算的模型规模较小,微机性能足以保证采用完全法进行分析计算。!4 双小车岸桥和抓斗

9、卸船机结构动载分析在有限元计算后,选取双小车岸桥和抓斗卸船机结构上6个不同位置处节点的结果来分析这些节点在工作循环过程中的动力响应问题。图5和图6显示6个点在港机上的具体位置。根据计算结果,找出每个节点在工作循环过程中由于起升载荷起制动所产生的最大动载位移ymax和动载应力 max;在匀速运动时的静载位移yave和静应力 ave,并计算这2者之间的比率关系,即起重运输 2008表1 各点动载位移计算(抓斗卸船机、单小车作用)位置123456位置123456ymax/mm212.5152.098.1511.103.2714.021ymax/mm408245168.813.25.508.00抓斗卸

10、船机yave/mm162.5118.078.389 2762.9133.364主小车单独工作yave/mm320190131.311.24.76.841.1.1.1.1.1.!y307288252197123193!y1.2751.2891.2861.1791.1701.169表2 各点动载应力计算(抓斗卸船机、单小车作用)载荷放大系数!y=ymax max! =yave ave位置123456位置123456ymax/mm125.7198.7185.2179.4147.497.17ymax/mm147.2201.5180.8165.5135.889.71抓斗卸船机yave/mm97.6715

11、3.5150.1148.0127.682.84主小车单独工作yave/mm115.5156.1141.4141.6116.678.63!y1.2871.2951.2341.2121.1551.173!y1.2741.2911.2791.1691.1651.141在各类起重机钢结构设计规范中整机的结构动力响应指起升质量突然离地起升或下降制动时,自重载荷将产生沿其加速度相反方向的冲击作用。在GB3811!1983起重机设计规范中表示为起升冲击系数!1;载荷组合形式为!1G+!2LD式中 !1!结构动力响应系数G!结构固定载荷!2!起升动载系数LD!起升载荷欧洲起重机设计规范(F E M)则以有害系

12、数的形式出现,载荷组合形式为!1G+!1!2LD从规范所要求的载荷组合中可以看出,结构动力响应系数!1与ANSYS计算后得到的载荷放大系数!2种规范的载荷组y是相互对应的。另外,合中,我国的GB3811!1983认为起升动载和结构动载响应是相互独立的;而F E M中则考虑起升动载和结构动载响应是相互作用的。从这2种规范就动载响应的组合形式可以看出F E M规范的计算要求要高于我国的GB3811!1983。抓斗卸船机和单小车岸桥在结构形式和装卸过程中运动形式基本相同,首先对这2种情况下各自钢结构动载进行分析,各点动载位移和应力见表1和表2。( 从表1和表2可以看出,当吊重从大梁前伸距起升时,这2

13、种港机各点的载荷放大系数基本上在1 2左右,说明在工作循环过程其钢结构动力响应系数在1 2左右,这就要求采用静载荷乘以载荷放大系数的方法计算时,起重机整机(包括固定载荷和移动载荷)计算载荷应当放大1 2倍,这与F E M规范中所要求的在进行静载荷计算时要给整机载荷乘以!1=1 2的有害系数的规定相符合;而我国国标中所规定的在静载荷计算时要求给起重机的固定载荷乘以!1=1 1动载系数的规定应用在这种超大型港口起重设备中就显得有些过小。表1和表2中位置点1至点3处的结构动力响应系数均超过了1 2。这3个位置正好是起升载荷直接!作用的地方,因而结构在这些点上的动位移和动应力是受到结构动力响应!1以及

14、起升动载!2的共同影响。按照F E M规范,抓斗卸船机的最大起升系数!2=1 6,而标准岸桥的最大起升系数!2=1 3。对比抓斗卸船机和岸桥在相同位置上的动力响应,发现在起升位置抓斗卸船机的动力响应系数1 307明显大于单小车岸桥的1 275的动力系数。主要是因为抓斗卸船机的吊重起升速度和工作级别都大于岸桥的工作情况。为得出双小车岸桥与一般岸桥在动力响应上的差别,分别进行仅主小车工作时结构的动力响应以及主小车和门架小车同时作用时结构的动力响应,各点动载位移和应力见表3和表4。表3 各点动载位移计算(单、双小车作用)位置123456位置123456ymax/mm408245168.813.25.

15、508.00ymax/mm41524817014.06.208.00主小车单独工作yave/mm320190131.311.24.706.64双小车共同工作yave/mm320190131.311.95.406.64!y1.2751.2891.2861.1791.1701.205!y1.2971.3051.2951.1761.1481.205从表3和表4可以看出,双小车同时作用对结构产生的动力响应明显比主小车单独作用大,尤其是点1和点2的动力响应甚至超过了抓斗卸船机的起升动载系数。我国第1台双小车岸桥的结构计算采用了1 875的起升动载系数,远远大于传统单小车岸桥1 3的起升动载系数。5 结论

16、(1)在大型高速起重机设计中,采用欧洲起重机设计标准中有害系数!1=1 2,比我国国标中所规定!1=1 1不仅有比较高的安全性,同时也和起重机实际动载放大系数相吻合。(2)由于卸船机上各点的动力响应并不完全相同,因而对于重要位置,例如;大梁前伸距、大梁跨中等位置的核算标准应高于其他位置。(3)对于新出现的双小车岸桥,由于存在2个独立小车同时起升,产生的动力响应也大于传统单小车岸桥的起升动载,甚至超过了抓斗卸船机的起升动载,所以,双小车岸桥的结构计算就不能按照原先计算标准。对于现在很多起重机制造和生产商在进行设计计算时要特别的注意和小心。参 考 文 献1 陈玮璋 起重机金属结构 北京:人民交通出

17、版社,198619912 范祖尧,倪庆兴 马登哲译 起重运输机机械设计基础.北京:机械工业出版社,3 潘钟林译 F E M标准欧洲起重机械设计规范 19984 唐友刚 高等结构动力学 天津:天津大学出版社,20025 易日 使用ANSYS6 1进行结构力学分析 北京:北京大学出版社,20026 美国ANSYS公司 ANSYS使用手册7 郑培 超大型抓斗卸船机钢结构动力仿真 上海:上海海运学院,20048 童民慧 超巴拿马双小车集装箱岸桥钢结构动力响应研究 上海:上海海运学院,2005表4 各点动载应力计算(单、双小车作用)位置123456位置123456ymax/mm147.2201.5180