岸边集装箱起重机节点板的有限元分析与比较

第８卷第２期　２０１０年６月　中国工程机械学报　Ｖ０Ｉ．８　Ｎｏ．２　ＣＨＩＮＥＳＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ　ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ　Ｊｕｎ．２０１０　岸边集装箱起重机节点板的有限元分析与比较　邱惠清，黄苹苹，王　宇　（同济大学机械工程学院，上海２０１８０４）　摘要：针对常见的长腰形节点板与圆形节点板，利用ＡＮＳＹＳ软件对岸边集装箱起重机钢结构进行有限元建模，　分析比较两种形状节点板的应力分布情况．通过分析对比，发现两种形状的节点板在应力分布上呈有相同的规　律，也存在一些不同现象．结合二者优点，可使节点板的形状得到优化设计，有效地发挥自身作用，减少不必要的　材料浪费．　关键词：集装箱起重机；节点板；有限元分析；应力集中　中图分类号：ＴＨ　２１８　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—５５８１（２０１０）０２—０１５９一Ｏ３　Ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｆｏｒ　ｇｕｓｓｅｔ　ｐｌａｔｅｓ　ｏｆ　ｃｏｎｔａｉｎｅｒ　ｃｒａｎｅｓ　ＵＨｕｉ—ｑｉｎｇ，ＨＵＡＮＧ　Ｐｉｎｇ－ｐｉｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｙｕ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｏｎｇｉｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０１８０４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｌｌｙ　ｆｏｒ　ｗｉｄｅｌｙ—ａｐｐｌｉｅｄ　ｌｏｎｇ—ｗａｉｓｔ　ａｎｄ　ｃｉｒｃｕｌａｒ　ｇｕｓｓｅｔ　ｐｌａｔｅｓ，ｔｈｅ　ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｃｏｎ—　ａｉｔｎｅｒ　ｃｒａｎｅｓ　ｉｓ　ｍｏｄｅｌｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ＡＮＳＹＳＴＭ．Ｉｎ　ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ，ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｂｅ—　ｔｗｅｅｎ　ｔｗｏ　ｓｈａｐｅｓ　ｏｆ　ｇｕｓｓｅｔ　ｐｌａｔｅｓ．Ｅｘｃｅｐｔ　ｆｏｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ，ｉｔ　ｉｓ　ｏｂｓｅｒｖｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｄｉｓｔｒｉｂｕ—　ｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｂｅｓｐｏｋｅ　ｓｈｅａｐｅｓ　ａｒｅ　ｓｕｂｊｅｃｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．Ｂｙ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｂｏｔｈ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｔｈｅ　ｇｕｓｓｅｔ　ｐｌａｔｅ　ｓｈａｐｅ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｆｏｒ　ｄｅｓｉｇｎ　ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ｅｎｈａｎｃｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ｒｅｄｕｃｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ－ｗａｓｔｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｔａｉｎｅｒ　ｃｒａｎｅ；ｇｕｓｓｅｔ　ｐｌａｔｅ；ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　岸边集装箱起重机（简称岸桥）作为在码头前沿进行集装箱装卸作业的装卸设备，正朝着大型化方向　发展．作为岸桥主体的钢结构，成本约占总成本的１／３，直接影响到整机的技术经济指标，对岸桥整体的安　全性也起着十分重要的作用．因此，对岸桥钢结构进行优化设计有重要的经济意义．　‘　在岸桥钢结构中，节点板作为其中的重要组成部件，起着连接汇交杆件、传递杆件内力、传递外载　荷的作用．节点板部件虽小，但作用很重要，而且较易产生应力集中的早期裂缝．因此节点板的设计是　不容忽视的重要环节．目前常用的节点板结构形式有长腰形和圆形两种．本文利用ＡＮＳＹＳ软件对岸桥　钢结构进行有限元建模，分析比较长腰形节点板与圆形节点板的应力大小，修改其应力集中情况ｌ１］．　建立岸桥钢结构有限元模型　１．１建模的假设与简化Ｅ。］　（１）前、后大梁以及梯形架，海、陆侧上横梁的楼梯和扶梯没有直接体现，将它们的重力均布到其所作　用的结构重力之中．　（２）机房、机房底架、滑轮系统、托架等附加质量以集中质量的形式作用在其相关的位置上．　基金项目：上海市科委上海工程技术研究中心建设资助项目（０８ＤＺ２２１０１０３）　作者简介：邱惠清（１９４８一），男，教授，博士生导师．Ｅ－ｍａｉｌ：ｑｈｑ＿ｔｊ＠１６３．ｃｏｎ］　１６０　中国工程机械学报　第８卷　（３）小车主要简化为４个集中载荷，分别作用于小车的４个轮子位置．　（４）大车行走机构轮子简化为４个支撑腿．　（５）集装箱岸桥金属结构内部的隔板、筋板等部件仅仅将它们的质量均布在结构中，忽略了其对结构　力学特性上的影响．　１．２模型中的单元类型　ＢＥＡＭ４４：主要是门框系统、门框连接系统和大梁，其中门框系统和门框连接系统采用矩形梁，大梁采　用梯形梁；ＬＩＮＫ１０：主要是只承受单轴拉压的前后拉杆系统；ＰＩＰＥ１６：门框、大梁及梯形架之间的撑杆系　统均采用的是管单元；ＭＡＳＳ２１：机房及一些附加质量作为集中质量均采用ＭＡＳＳ２１单元．　１．３模型中的材料属性　材料密度：立柱、前后大梁等内部大量筋板、小车轨道及主梁和立柱上的扶梯和楼梯未在有限元模型　中充分表现，只考虑了它们的分布质量，故将其密度调整为钢密度的１．５倍；力学特性：钢结构采用Ａ７０９—　５０—２钢材，其力学特性为弹性模量Ｅ：２１０　ＧＰａ；泊松比　＝０．３．　１．４模型中的约束与加载［３］　约束：在岸桥工作状态下，大车轮子是制动的，且轮子简化为４个支撑腿，故约束轮子支撑腿下面４个　点的　，Ｙ，　３个方向的位移，即钆　，饥　，　；加载：根据欧洲起重机械设计规范［　，假设所有可动部分均　处在它们最不利的位置上，４个集中载荷分别作用于小车的４个轮子位置，载荷组合计算如下：　（１）竖直方向载荷Ｑ　为　ｑ　＝［ｑＬ　５９＋Ｑ２］ｙｃ　其中：Ｑ　为岸桥额定载重；　为动载系数；Ｑ　为小车加吊具的自重；　ｙｃ为增大系数．　（２）水平方向载荷Ｑ　为　Ｑ　＝２ｍａ　式中：ｍ为小车质量、吊具以及货物质量之和；２为载荷放大系数；ａ　为小车启动时加速度或者制动时的减速度．　１．５岸桥钢结构有限元模型　图１岸桥钢结构有限元模型　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎ　ｃｏｎｔａｉｎｅｒ　ｃｒａｎｅ　　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　利用ＡＮＳＹＳ建立岸桥钢结构模型，如图１所示．其中对斜撑杆　Ｆｉｇ．１　Ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ的节点板插入处分别建立了长腰形节点板和圆形节点板，如图２和　图３所示．　图２长腰形节点板　Ｆｉｇ．２　Ｇｕｓｓｅｔ　ｐｌａｔｅ　ｉｎ　ｌｏｎｇ－ｗａｉｓｔ　ｔｙｐｅ　图３圆形节点板　Ｆｉｇ．３　Ｇｕｓｓｅｔ　ｐｌａｔｅ　ｉｎ　ｃｉｒｃｕｌａｒ　ｔｙｐｅ　２有限元计算结果的分析与比较　利用ＡＮＳＹＳ软件分别对上述带有两种节点板的岸桥钢结构模型进行有限元分析　，得到的节点板应　力分布呈现不同的情况，如图４和图５所示．　比较图４和图５的应力云图，可以看出，在相同载荷的作用下，长腰形节点板与圆形节点板的应力有　相同的分布情况，但也存在一些不同现象．长腰形节点板与圆形节点板的应力分布存在相同规律，如：它们　第２期　邱惠清，等：岸边集装箱起重机节点板的有限元分析与比较　１６１　的应力集中都出现在节点板的下部位，并且在与斜撑杆相焊接的周围地区的应力都较小，设计时应注意下　部位焊缝端点处的应力集中．长腰形节点板与圆形节点板的应力集中情况有所不同：根据图４所示，长腰　形节点板的应力主要集中在下部的圆弧过渡部分，且应力过渡很快，集中点在圆弧相连接处，可以适当加　大过渡圆弧的圆弧半径来减小应力集中．根据图５所示，圆形节点板的应力主要集中在顶部与下部．在顶　部２段圆弧相连接的地方出现的应力集中，是比较反常的，造成的原因可能是由于软件自身无法实现真正　的圆滑过渡，这个点正好处于２条直线的相交处，因而造成应力集中．圆形节点板的应力集中主要出现在　下部分，且应力过渡比较平缓、有规律，这与圆形连接板使用整段圆弧来分散受力而削弱了应力集中有关．　８７２．４６３　９０　３６２　１７９　８５１　２６９　３４０　３５８　８２９　４５６１７　１３５１０６　２２４　５９５　３１４０８４　４０３　５７３　ｌ４　６４８　４８１６１　８１　６７４　１１５１８７　１４８　７（】ｌ　３１　４０５　６４９１８　９８４３１　１３１　９４４　１６５４５７　直力？Ｐａ　泣力ｆＰａ　图４长腰形节点板应力分布图　图５圆形节点板应力分布图　Ｆｉｇ．４　Ｓｔｒｅｓｓ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　Ｆｉｇ．５　Ｓｔｒｅｓｓ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｌｏｎｇ－ｗａｉｓｔ　ｇｕｓｓｅｔ　ｐｌａｔｅ　ｃｉｒｃｕｌａｒ　ｇｕｓｓｅｔ　ｐｌａｔｅ　定量地比较长腰形节点板与圆形节点板的应力值，可以看出，圆形节点板上的应力值明显小于长腰形　节点板，而长腰形节点板上的最大应力值仍在许用应力的范围内．由此可见，在外部条件相同的情况下，圆　形节点板比长腰形节点板有更大的改善空间．如圆形节点板的上部分材料并未承担很多的应力，造成了材　料的浪费，可参考长腰形节点板形状的设计，在一定程度上能有效地节约材料．　３　结论　本文利用ＡＮＳＹＳ软件对岸桥钢结构进行有限元建模，分析比较长腰形节点板与圆形节点板的应力集　中情况．通过对两种形状节点板的有限元分析对比，发现两种形状的节点板在应力分布上有各自的特点，　同样也存在各自的不足之处，结合二者优点，相互之间取长补短从而使得节点板的形状能最有效地发挥其　自身的作用，减少不必要的材料浪费．　参考文献：　Ｅｌｉ沈祖炎，严慧，马克俭．空间网格结构［Ｍ］．贵州：贵州人民出版社，１９８７．　ＳＨＥＮ　Ｚｕｙａｎ，ＹＡＮ　Ｈｕｉ，ＭＡ　Ｋｅｊｉａｎ．Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｇｒｉｄｄｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ［Ｍ］．Ｇｕｉｚｈｏｕ：Ｇｕｉｚｈｏｕ　Ｐｅｏｐｌｅ’Ｓ　Ｐｒｅｓｓ，１９８７．　［２］童民慧．超巴拿马双小车集装箱岸桥钢结构动力响应研究［Ｄ］．上海：上海海事大学，２００４．　ＴＯＮＧ　Ｍｉｎｈｕｉ．Ｄｙｎａｍｉｃ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆｏｒ　ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎ　ｄｏｕｂｌｅ　ｔｏｒｌｌｅｙ　ｃｏｎｔａｉｎｅｒ　ｃｒａｎｅ［Ｄ］．Ｓｈａｎｇｈａｉ：Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｍａｒｉｔｉｍｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉ－　ｔｙ，２００４．　［３５张慧博．超大型岸边集装箱起重机金属结构静动态特性分析与轻量化研究［Ｄ］．上海：上海交通大学，２００８．　ＺＨＡＮＧ　Ｈｕｉｂｏ．Ｓｔａｔｉｃ　ａｎｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ　ｓｔｕｄｙ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｍｅｔａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｇｉａｎｔ　ｑｕａｙｓｉｄｅ［Ｄ］．Ｓｈａｎｇｈａｉ：　Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００８．　［４］ＦＥＭ．１．ＯＯｌ／１—１９８７　Ｒｕｌｅｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｈｏｉｓｔｉｎｇ　ａｐｐｌｉａｎｃｅｓ［Ｓ］．Ｐａｒｉｓ：Ｔｈｏｍｓｏｎ　Ｒｅｕｔｅｒｓ，１９９８．　［５］宋勇．精通ＡＮＳＹＳ７．０有限元分析［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００４．　ＳＯＮＧ　Ｙｏｎｇ．Ｆａｍｉｌｉａｒｉｔｙ　ＡＮＳＹｓ７．０　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｔｓｉｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｐｒｅｓｓ，２００４．