岸边集装箱起重机钢结构的有限元仿真计算

苏 芳

太重（天津）重型机械有限公司 天津 300452

摘 要：采用数值计算中的有限元理论和Ansys 程序，对45 t-22 m 岸边集装箱起重机整体钢结构进行建模，提出了大梁异形截面的仿真方法和偏轨梁的加载方法，求解有限元模型并得出各工况下的结构应力，证明钢结构设计满足要求。文中所述仿真计算研究也为结构优化设计提供参考。

关键词：岸边集装箱起重机；钢结构；有限元；仿真计算

中图分类号：TH122：U653.921 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）15-0067-05

0 引言

岸边集装箱起重机（以下简称岸桥）是在码头前进行集装箱装卸作业的装卸设备，其钢结构是设备的主要部分，承担着各种机械设备的载荷和自重。因此，钢结构必须满足一定的强度、刚度、稳定性要求，才能保证机器正常使用[1]。45 t-22 m 岸桥是为梧州港紫金码头一期工程项目设计研制的双箱形结构主梁码头装卸起重设备。本文使用计算软件Ansys 对钢结构进行了有限元仿真，并计算校核各工况下的强度。

1 有限元模型的建立

45 t-22 m 岸桥钢结构由主梁、门框、梯形梁、拉杆系统组成。门框、梯形梁、拉杆系统为较规则的箱形梁或圆管结构。门框、梯形梁采用Beam 188 单元（Timoshenko 梁，3D 有限应变，计入剪切变形影响，自由度UX/UY/UZ/ROTX/ROTY/ROTZ）建模；拉杆系统包含前后拉杆，连接梯形架和前后大梁，它们之间的连接为铰接，采用Link 180 单元(3D 有限应变杆，节点自由度UX/UY/UZ) 建模。所有结构件建模均在整体坐标系下进行。整体坐标系采用笛卡尔坐标系，定义X 轴与小车运行方向平行，从水侧到陆侧为正向；Y 轴与高度方向平行，竖直向上为正向；Z 轴与大车运行方向一致。

1.1 主梁的建模

主梁包括前大梁和后大梁，两者间用铰连接。由于45 t-22 m 岸桥为江边码头机械，在各工况下前大梁都不需抬起。主梁为双箱形结构梁，主梁的承轨梁使用轧制的T 形钢，为小车车轮布置提供了较大空间。前大梁为直角梯形截面箱形梁，如图1a 所示。后大梁为矩形和梯形组合的复合形截面箱形梁，如图1b 所示。模型中主梁的仿真采用Beam 188 单元。由于前后大梁截面是异形截面，Ansys 自带的截面数据库里没有此类截面形状，需自定义梁截面。具体操作分4 个步骤：1）使用关键点、线、面及相应的布尔运算命令创建需要定义的梁单元的截面形状；2）通过路径Meshing-Size Cntrls 设置截面各条线段的网格尺寸；3） 通过路径Sections － Beam － CustomSections － Write From Areas 对截面进行命名，文件后缀为.sect，保存为自定义截面文件，放在安装盘Administrator 文件夹下；4）对截面文件进行读入，路径为Sections － Beam － Custom Sections － ReadSect Mesh。设置截面ID 和名称后将截面读取到工作模型中。如需查看可通过Plot Section 绘制截面并显示自定义截面的信息。

图1 主梁前后大梁结构示意图

自定义截面还应注意：1）由于前后大梁是按可承载最大弯矩来选择截面的，为了节省材料和减轻质量，前后大梁截面的板厚都是变化的，这些变化板厚的截面需一一定义；2）前后大梁为对称双箱形梁，对称的两个截面都需要定义；3）划分梁单元网格时硬定义截面的方向点，保证有限元模型梁截面的摆放方向同实际一致。

1.2 偏轨梁的加载

移动载荷SL（包括小车、吊具及吊重）通过承轨梁将力传递到主梁上，对于主梁是一个偏心荷载（见图2）。在以往计算中，SL 通常作为竖直向下的荷载直接施加在主梁上盖板，导致计算结果同实际情况有偏差，主梁腹板及盖板的应力应变均不够准确。考虑到钢结构模型不能在有限元节点上直接施加偏心荷载，需要建立可承受荷载的质量单元Mass 21。质量单元位置同承轨梁在相应截面的位置一致。用CERIG 命令将此单元与主梁单元连接，在这个质量单元上施加载荷SL。

起重机实际工作过程中，移动载荷的位置可以是最大前伸距到最大后伸距的任意位置。计算时可只考虑极限位置，即工作状态时的最大前伸距处、最大后伸距处和非工作状态时的小车停车位位置；由于前后大梁都是双箱形梁，每个位置都要建两个相应的加载点，所以需要6 个质量单元。建立质量单元的命令流如下：

/PREP7

K, 1001, X1, Y1, Z1

K, 1002, X2, Y2, Z2

K, 1006, X6, Y6, Z6

ET, 4, MASS21

R, 1000, 1e-5, 1e-5, 1e-5

KSEL, S, KP, ，1001, 1006

KATT, 1, 1000, 4,

KMESH, 1001, 1006

ALLSEL, ALL

Mass 21 单元N792 与梁单元N315 连接的命令流

如下：

/PREP7

NSEL, S, NODE,, 792

NSEL, A, NODE,, 315

CERIG, 792, ALL, ALL

ALLSEL, ALL

图2 荷载作用位置

由上述步骤建立图3 所示的整机模型。

图3 整机有限元模型

2 载荷及工况

2.1 载荷

结构中的主梁、门框、梯形梁、拉杆系统自重为均布荷载，输入密度并施加重力加速度由软件自动计算；机器房自重为集中载荷, 作用于后大梁和陆侧上横梁，在4 个支座位置相应节点分别施加垂直向下的力。移动载荷SL 包含小车18 t，吊具18 t，额定起重量35 t。起升动载系数φ2 根据φ2 ＝ φ2min+β2vq 来计算，代入各参数可得φ2 ＝ 1.36。小车起制动引起的水平惯性力Fa 根据Fa ＝ SL· v ·φ 5 计算，代入各参数可得Fa ＝25 560 N。起升质量产生的综合水平力Fb 根据Fb ＝（SLD+SLQ）· tanθ 计算，θ 为起重钢丝绳最大偏摆角，根据技术规格书，θ 值为5º。代入其他相关参数可得Fb ＝ 27 200 N。

根据各个构件的迎风面积及风力系数来计算风载并加在每个构件的相应节点上。风载荷分为风沿小车方向（X 方向）和风沿大车方向（Z 方向）分别计算。

2.2 工况

岸桥计算需考虑的工况参数设置如表1 所示。

3 求解与结果分析

3.1 各工况整机应力云图

1）工况101

此工况为无风工作，小车满载在最大前伸距处，整机应力云图如图4 所示。最大应力为84.5 MPa，出现在陆侧支腿同陆侧上横梁连接处，人字架、前大梁和水侧支腿也有较大应力。

图4 工况101 整机应力云图

2）工况102

此工况为无风工作，小车满载在最大后伸距处，整机应力云图如5 所示。最大应力为134 MPa，出现在靠近陆侧上横梁处的后大梁下盖板，陆侧上横梁及陆侧支腿有较大应力。

图5 工况102 整机应力云图

3）工况201

此工况为带风工作，小车满载在最大前伸距处，Z 方向为最不利风向。取Z 风向为工作风向，工作风速15.5 m/s, 风压150 Pa。整机应力云图如图6 所示。最大应力为89.5 MPa，出现在梯形架，前大梁和水侧支腿有较大应力。

图6 工况201 整机应力云图

4）工况202

此工况为带风工作，小车满载在最大后伸距处，Z 方向为最不利风向。取Z 风向为工作风向，工作风速15.5 m/s，风压150 Pa。整机应力云图如图7 所示。最大应力为135 MPa，出现在靠近陆侧上横梁处的后大梁下盖板，陆侧上横梁及陆侧支腿有较大应力。

图7 工况202 整机应力云图

5）工况301

此工况为极限风荷载工况，小车空载在停车位，即主梁跨中位置，取风速44 m/s, 风压1 210 Pa，风沿小车轨道方向（X 方向）时整机应力云图如图8 所示。最大应力为106 MPa，出现在陆侧支腿下部盖板。

图8 工况301 整机应力云图

6）工况302

此工况为极限风荷载工况，小车空载在停车位，即主梁跨中位置。取风速44 m/s, 风压1 210 Pa。风沿小车轨道方向（Z 方向）时整机应力云图如图9 所示。最大应力为91.6 MPa，出现在水侧支腿下部迎风向腹板。

图9 工况302 整机应力云图

根据有限元求解结果可知，无风工作最大应力为134 MPa，带风工作最大应力为136 MPa，极限风荷载最大应力为106 MPa。该岸桥主结构使用的材料为Q345B，以上3 类工况许用应力分别为232 MPa、256MPa 和282 MPa，可知岸桥钢结构满足强度要求。

3.2 各工况单个构件最大应力

除各工况最大应力外，钢结构计算还应关注起重机其他主要构件最大应力及应力分布情况，表1 ～表3 列出了各构件最大应力。

从计算结果可知，当移动载荷从最大前伸距到跨中时，前大梁、梯形架及水侧支腿应力较大；移动载荷从跨中到最大后伸距时，后大梁、陆侧上横梁及陆侧支腿应力较大。门架及水侧横梁在各工况下应力均有较大盈余。在保证结构强度及稳定性情况下，可适当减少材料用量，优化结构，以降低成本。

4 总结

通过对45 t-22 m 岸桥整体钢结构进行有限元建模分析，提供了异形截面主梁的建模及主梁为偏轨梁时小车加载的处理方式等岸桥建模可能遇到的问题；加载求解出各工况下钢结构的应力，证明产品设计满足要求，也为产品的结构和优化提供参考。

参考文献

[1] 徐克晋主编. 金属结构[M]. 北京：机械工业出版社,1982.

[2] 符敦鉴主编. 岸边集装箱起重机[M]. 武汉：湖北科学技术出版社，2007.

[3] GB/T3811—2008 起重机设计规范[S].