单位文秘网 2021-07-23 08:19:44 点击: 次
摘 要:为适应双小车岸边集装箱起重机转载平台面板设计的要求,以极限状态为设计准则,将塑性理论应用于双小车岸边集装箱起重机转载平台面板的设计,并结合实际情况以及设计规范,提出合理的塑性设计方法.对于冲击动力学问题,依据能量法进行理论推导,并通过锁销跌落试验进行验证.在ANSYS/LS-DYNA环境中,仿真模拟结果表明试验的正确性.
关键词: 岸边集装箱起重机; 转载平台; 塑性设计; 跌落试验; 仿真
中图分类号:TH212; U653.921; TU312.1; TU313文献标志码:A
Application of plasticity theory into design of transit platform’s
panel in double trolley quayside container crane
TENG Yuanyuan, DONG Dashan, MEI Xiao
(Logistics Engineering College, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 200135, China)
Abstract:
In order to meet the needs of the design of transit platform’s panel in double trolley quayside container crane, taking the limit intensity as a starting point, applying the plasticity theory into the design of transit platform’s panel in double trolley quayside container crane, a reasonable plasticity design is set up considering the practical situation and the standards. As to the impact dynamics issue,a theoretical derivation based on the energy law is completed and verified by the falling experiments of the lockpins. The system is simulated in ANSYS/LS-DYNA condition. The result shows that the method is correct.
Key words:quayside container crane; transit platform; plasticity design; falling experiment; simulation
0 引 言
近年来,随着集装箱运输船舶向大型化发展、船公司对港口集装箱装卸作业效率要求的提高以及越来越多的自动化码头的建成使用,双小车岸边集装箱起重机应运而生.原有的岸边集装箱起重机依靠加快起升和运行机构速度提高装卸效率,而双小车岸边集装箱起重机借助转载平台(见图1),将常规的由1个小车完成的集装箱作业分配给海侧小车和陆侧小车分别承担,使相邻的作业部分并行,提高单机的集装箱装卸作业效率,同时使司机与小车分离,减轻司机的劳动强度.
图1 双小车岸边集装箱起重机
转载平台的结构功能为:(1)能承受可能出现的、各种施加在结构上的载荷以及引起的结构变形;(2)在偶然事件(集装箱锁销高空跌落、满载集装箱的冲击作用等)发生时和发生后,能保持必需的防护功能(保护地面的人和车),转载平台允许有限的损伤.
转载平台的结构示意见图2.
图2 转载平台结构示意
面板作为转载平台的附属结构,可以有适当的使用寿命(不必与整机等同寿命),允许产生一定的塑性形变[1](发生损伤可及时修补或更换).另外,面板设计还涉及冲击动力学问题,因此沿用弹性理论设计不尽合理,需探索新的设计方法.
1 能量法计算受冲薄板塑性应变能
根据要求,1个6 kg的集装箱锁销从10 m高空跌落至转载平台上任意处,均不应使平台破损,即不允许锁销冲破钢板,危及地面上的人和车.
所用材料为Q345.σs为屈服应力,σs=345 MPa;σb为强度极限,σb=550 MPa;E为弹性段的弹性模量(杨氏模量),E=205 GPa;εs为材料达到屈服应力时的伸长率;εb为材料发生破坏时达到的最大伸长率,εb=22%.
受垂直冲击载荷,板的破坏以同心圆的形式向外辐射,因此,以圆板的形式代替方板,不会产生大的误差且可以利用轴对称条件使计算简便.另外,由于是薄板,在厚度方向应力和应变不存在梯度,属平面应力问题.[2]
总应变能[3]Ep=∫V[∫(σrdεr+σθdεθ)]dV(1)式中:dεr和dεθ分别为径向和环向应变增量;r和θ为径向和环向坐标;V为薄板体积.
设薄板的任一点仅有垂直方向的位移,没有面内的位移,即挠度w.又因为是轴对称变形,所以同一圆周上点的挠度相同(见图3).
图3 薄板的变形
于是有εr=[SX(]dl-dr[]dr=1+dw[]dr2-1
εθ=0(2)对于线性硬化材料σ=σs+Etεr(3)式中:Et为塑性段的切线模量.弹塑性拉伸曲线见图4.
图4 线性硬化材料弹塑性拉伸曲线
薄板在弹性范围内形变非常小,可假设总应变能近似等于塑性应变能.塑性范围内的应力应变关系σr-σs=[SX(]Et1-υ2(εr+υεθ)
σθ-σs=[SX(]Et1-υ2(εθ+υεr)(4)式中:υ为材料的弹性常数,称为泊松比;当εθ=0,式(4)为σr=σs+[SX(]Et1-υ2εr
σθ=σs+[SX(]Etυ1-υ2εr(5)将式(5)代入式(1),得Ep=σs∫VεrdV+[SX(]Et2(1-υ2)∫Vε2rdV(6)当式(6)中dV=2πrδdr(δ为板厚),上式可改写为Ep=2πδσs∫R0εrrdr+[SX(]πδEt(1-υ2)∫R0ε2rrdr(7)2 锁销跌落试验及挠度曲线拟合
为观察板受冲击的变形情况,确定挠度曲线,用6 kg锁销(见图5)分别从10 m,15 m和20 m高处自由落下冲击四边简支的2 mm板,由于试验装置的高度有限,在20 m高度时钢板仍未被冲破,见图6,试验数据见表1.
图5 锁销示意
图6 试验挠曲线
表1
试验数据重物高度h/m测量点r/mmwr/mm锁销1013-311513-342013-36铅球2013-46注:锁销重6 kg;铅球重7 kg.
设板刚好冲破时挠度与半径关系(见图7)w(r)=w0e-αr(8)式中:w0为冲击中心的最大位移,mm;α为待定系数,mm-1.由试验数据拟合(见图8),得挠度曲线
w(r)=-50.725e-0.013 8(9)
图7 受冲击钢板的形变示意图8 测量处挠度与冲击高度关系试验数据拟合代入式(2)和(7),求得总应变能Ep.根据能量守恒定律,重力势能全部转化为总应变能,得δ=1.067 4 mm3 ANSYS/LS-DYNA仿真模拟[4]
本文采用三维Lagrange方法进行计算,模型使用实体solid 164单元进行划分,对钢板和锁销直接作用区域的网格进行加密,锁销采用刚体模型,钢板采用双线性等向强化弹塑性材料,接触采用侵蚀接触算法[5]建模(cm-g-μs单位制).
图9~12为6 kg锁销在20 m高度处自由落体垂直冲击600 mm×600 mm区格、厚度2 mm钢板的仿真输出数据.[6]
图9 钢板与锁销有限元模型图10 钢板中心点挠度随时间变化曲线图11 钢板应力云图图12 锁销速度时间历程曲线4 结果分析
仿真结果与试验数据及现象都比较吻合,证明仿真结果可信,同时也验证由试验数据拟合的挠度曲线,尤其是中心最大挠度的计算正确.[7]试验用2 mm的板能满足安全使用的要求.而按弹性设计准则许用应力法设计,达到满应力(弯曲应力)时的计算板厚为8 mm,大大厚于试验用板.
5 结 论
通过试验及仿真计算,证明锁销平台使用厚度为2 mm以上的面板安全,考虑到一些条件的限制和起重机设计规范对板厚的要求,锁销平台面板厚度取为6 mm,按塑性设计的极限状态法,具有足够的安全储备.与弹性设计的许用应力法比较,整个锁销平台的结构重量至少减轻25%,能满足一切使用要求.
参考文献:
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(编辑 陈锋杰)
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