一种龙门吊立柱隔板开裂问题的量化分析方法 | 港口科技

摘要

针对轮胎式集装箱起重机长时间使用后出现疲劳开裂问题,基于某轮胎式集装箱起重机立柱隔板开裂维修项目,以梁单元和壳单元为基础,利用节点耦合技术建立轮胎式集装箱起重机的有限元模型,通过改变模型中立柱隔板的圆弧半径,并考虑起重机两侧驱动不同步对立柱的扭转作用,对不同状况下的有限元模型进行计算分析,找出立柱隔板疲劳开裂的主要原因,并以此为依据提出避免隔板开裂的改进方法。

0 引 言

轮胎式集装箱起重机(RTG)也称龙门起重机,是在港口码头有着广泛应用的集装箱转运设备。RTG的安全运行对安全生产、保证作业效率都是非常重要的。目前,针对RTG整机结构的计算,孙守胜等[1]采用有限元分析软件 ANSYS,分别从静刚度和动刚度2个方面对龙门起重机进行结构静强度分析和模态分析,从设计阶段确保起重机整机的结构安全。然而,随着近年来一些码头的轮胎式集装箱起重机服役时间已达10 a以上,越来越多的集装箱起重机出现疲劳开裂问题。开裂的立柱隔板实物见图1。这些开裂严重影响到立柱和整机的安全。因此,分析起重机立柱隔板疲劳开裂的原因并找出延长隔板疲劳寿命的方法就显得十分必要。

1 建立RTG有限元模型

为准确模拟集装箱起重机的结构,基于有限元分析软件ANSYS,综合采用BEAM44梁单元和SHELL63壳单元,利用节点耦合技术建立RTG的整机有限元模型。其中:BEAM44梁单元用来模拟立柱和大梁;SHELL63壳单元用来模拟立柱中的隔板。考虑立柱隔板的圆弧半径大小和起重机两侧驱动不同步这2方面因素对立柱隔板应力的影响,并计算出相应工况下隔板的疲劳寿命,找出立柱隔板开裂的主要原因,并以此为依据提出延长隔板疲劳寿命、避免隔板开裂的改进方法。

1.1 BEAM44单元

BEAM44单元是一种3D不对称变截面的弹性梁单元,具有弯曲、压缩、拉伸、扭转等多种功能。该单元的每个节点都有6个自由度:沿X、Y、Z轴的位移和绕X、Y、Z轴的旋转。BEAM44梁单元几何特性见图2。此外,该单元在节点处的几何形状可以是非对称的,节点也可以相对质心偏移,非常适合用来模拟具有截面渐变特性的起重机立柱结构。

1.2 SHELL63单元

SHELL63单元具有4个节点,是一种具有弯曲和薄膜功能的弹性壳单元,可以施加平面内载荷和法向载荷。该单元在每个节点上有6个自由度:节点绕3个坐标轴的旋转以及沿3个坐标轴方向的平移,具有应力刚化和大变形特性,SHELL63壳单元几何特性见图3。进行大挠度(有限旋转)的分析时,可以使用一致切线刚度矩阵(主切线刚度矩阵和一致应力刚度矩阵)选项,激活此选项能够加快收敛速度。

1.3 起重机整机有限元模型

整机有限元模型和立柱隔板见图4。为了简化计算模型,提高计算速度,同时能够得到隔板位置的应力,模型只对1根立柱采用SHELL63壳单元建模(图4中黑色立柱),其余的立柱和大梁采用BEAM44单元模拟,在2种单元的连接位置采用节点耦合技术进行连接,其中:X为起重机小车轨道方向;Y为竖直方向;Z为起重机大车移动方向。

2 载荷和模型约束

2.1 载荷定义和大小

RTG在工作时,除了承受自身结构(门框自重、小车、吊具等)竖直方向的载荷外,还会受到大车起动、制动导致的水平载荷和左右侧电机不同步引起的位移载荷。起重机载荷见表1。

2.2 模型约束

在ANSYS软件中创建好的模型,除了进行载荷施加外,还必须进行正确的约束才能进行计算分析。由于模型采用的BEAM44梁单元具有3个平动自由度和3个旋转自由度,根据轮胎式集装箱起重机所受的实际约束条件,模型自由度约束见表2,表中数字0表示该自由度被约束。

3 电机不同步对隔板应力影响的计算对比

通常,在设计计算时仅考虑表1中前5项载荷,立柱隔板上的最大应力出现在立柱中间处的隔板上,最大应力为45 MPa,无不同步位移时隔板最大应力见图5。当加入不同步位移时的载荷后,立柱隔板上的最大应力出现在立柱中间偏下处的隔板上,最大应力为186 MPa,有不同步位移时隔板最大应力见图6。显然,由电机不同步引起的位移载荷对隔板应力的大小起主导作用。

4 隔板圆弧半径对隔板应力影响的计算对比

为了比较隔板圆弧半径对隔板应力的影响,在隔板的4个转角位置添加4块三角板,加强三角板结构见图7,把转角的转弯半径由50 mm增大到200 mm。根据表1中所列的载荷大小,将它们转换为力施加在模型上,求解计算后得到隔板的最大应力为59.97 MPa,相比于增加三角板前的186 MPa,最大应力减小约68%,效果十分显着。转角半径为200 mm时隔板最大应力见图8。

5 隔板疲劳寿命的计算分析

5.1 应力集中系数和疲劳等级的确定

RTG在进行作业时,反复地进行抓箱、放箱作业,整个构件承受循环应力作用。通过第3部分的计算可知,即使在全部载荷作用下,隔板应力的最大值186 MPa也小于静强度许用值230 MPa。因此,可以确定隔板的开裂属于疲劳开裂。通常,影响构件疲劳寿命的主要因素有3个方面:一是构件外形的影响,即应力集中的影响;二是构件截面尺寸的影响,构件的横截面尺寸越大疲劳寿命越小;三是表面加工质量的影响,加工质量越低疲劳寿命越小。

在本计算中,隔板圆弧半径的大小即属于构件外形的影响。不同的转角半径会产生不同的应力集中系数。应力集中是指构件中局部应力增高的现象,常常出现在构件形状发生急剧变化的位置,如缺口、沟槽、孔洞等以及有刚性约束处。应力集中不仅会使构件产生疲劳裂纹,还会使脆性材料制成的零件发生静载断裂。在应力集中处,应力的最大值除了与构件的几何形状有关外,还受到加载方式的影响。在疲劳计算中,应力集中系数Kf会显着影响计算应力的大小,进而影响疲劳寿命。

查阅《钢结构疲劳设计规范》(BS 7608——1993):当转角半径为50 mm时,应力集中系数Kf=3.6;当转角半径为200 mm时,应力集中系数Kf=2.9。

连接2个凸缘板的疲劳计算替换方法见图9。根据《钢结构疲劳设计规范》(BS 7608——1993)中的Types1.4,确定隔板转角位置的疲劳等级为C级,即构件在应力幅为78MPa的循环应力作用下,疲劳寿命为1 000万次。

5.2 线性累积损伤理论

线性累积损伤理论认为:在一定的应力循环作用下,试件的疲劳损伤与应力循环次数之间的关系可近似为线性叠加,当疲劳损伤累积到临界值时,试件就会发生疲劳破坏。假设试件所受的应力水平共有i个:σ1、σ2、…、σi,根据S-N曲线,各个应力水平下试件的疲劳寿命依次为L1、L2、…、Li,而各个应力水平下实际的循环次数为l1、l2、…、li,于是每个应力水平对试件造成的损伤为li/Li,试件总的损伤为Σli/Li。当损伤累积达到临界值1时,试件就发生破坏。该理论存在一些不足:各个应力水平造成的损伤累积并不完全是线性叠加的;材料内部缺陷使得实际的临界值并不严格等于1。尽管如此,由于该方法简单明了,且能够满足一般的工程要求,所以得到广泛的应用。下面的分析计算即以此理论为基础。

5.3 疲劳寿命计算

根据线性累积损伤理论,将轮胎式集装箱起重机的疲劳载荷分为4个等级,分别对应30万次、40万次、60万次和70万次循环寿命。利用不同疲劳载荷等级下隔板的应力进行疲劳寿命的计算,隔板疲劳寿命计算见表3。其中:工况1为计算中不包含不同步位移载荷且隔板转角半径为50 mm;工况2为计算中包含不同步位移载荷且隔板转角半径为50 mm;工况3为计算中包含不同步位移载荷且隔板转角半径为200 mm。

从表3的计算结果可以看出,当隔板的转角半径较小且存在左右侧电机不同步时,即使不考虑应力集中,隔板也会很快开裂,而将隔板的转角半径增大至原设计的4倍时,即使存在应力集中,隔板的疲劳寿命也会增加1倍。

 

文章刊发于《港口科技》2020年第8期;原文标题:轮胎式集装箱起重机立柱隔板开裂问题分析作者:黄宾,王伟伟,王芝斌;上海振华重工(集团)股份有限公司

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