徐自平

摘 要：經(jīng)濟(jì)發(fā)展促進(jìn)港口機(jī)械的快速發(fā)展，從而引起了研究者對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞程度的評(píng)估。港口集裝箱軌道吊是港口集裝箱裝卸作業(yè)中的重要設(shè)備，在該文作者提出了一種基于有限元仿真的疲勞強(qiáng)度校核。通過(guò)建立集裝箱軌道吊金屬結(jié)構(gòu)的有限元模型，進(jìn)行有限元分析仿真各結(jié)構(gòu)件的靜強(qiáng)度計(jì)算，運(yùn)用許用應(yīng)力計(jì)算模型，確定最小疲勞壽命部位，并采用應(yīng)力比法對(duì)疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核分析。

關(guān)鍵詞：軌道吊;疲勞強(qiáng)度;有限元

中圖分類(lèi)號(hào)：U674? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

港口起重機(jī)是承受循環(huán)載荷的大型機(jī)械設(shè)備，其金屬結(jié)構(gòu)在使用期內(nèi)疲勞破壞時(shí)有發(fā)生。因此對(duì)港口起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。港口起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的工作應(yīng)力值小于其材料的屈服應(yīng)力值，應(yīng)力應(yīng)變成線性關(guān)系，屬于高周疲勞。據(jù)此，采用應(yīng)力比法對(duì)港口起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。該文將以港口軌道吊為例進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核分析。

1 疲勞強(qiáng)度計(jì)算理論

結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗疲勞能力取決于結(jié)構(gòu)的工作級(jí)別、構(gòu)件類(lèi)別、結(jié)構(gòu)件材料種類(lèi)、結(jié)構(gòu)件的最大應(yīng)力和應(yīng)力循環(huán)特性等。

對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度計(jì)算常采用應(yīng)力比法和應(yīng)力幅法。該文計(jì)算采用應(yīng)力比法進(jìn)行校核。

1.1 分析流程

該文在校核結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，結(jié)合疲勞許用應(yīng)力理論計(jì)算模型，提出了一種簡(jiǎn)便的有限元疲勞強(qiáng)度校核方法：

根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立軌道吊的有限元模型。

對(duì)模型進(jìn)行前處理：設(shè)置材料及單元屬性、網(wǎng)格劃分、定義邊界條件、施加工況載荷。

求解，并提取關(guān)鍵部位的應(yīng)力值。

根據(jù)疲勞許用應(yīng)力理論進(jìn)行校核。

1.2 應(yīng)力集中等級(jí)情況的確定

根據(jù)GB/T3811規(guī)范要求，將焊件應(yīng)力集中情況劃分為：K0、K1、K2、K3和K4等5個(gè)應(yīng)力集中情況。隨著連接應(yīng)力集中等級(jí)的遞增，結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度遞減。在疲勞強(qiáng)度校核時(shí)盡量采用較為合理的應(yīng)力集中情況等級(jí)K值，見(jiàn)表1。

1.3 疲勞許用應(yīng)力

構(gòu)件疲勞許用應(yīng)力按下表2公式計(jì)算，表中r為應(yīng)力循環(huán)特性。為拉伸和壓縮疲勞許用應(yīng)力的基本值，是r=-1的對(duì)稱(chēng)應(yīng)力循環(huán)實(shí)驗(yàn)中得到的疲勞極限除以1.34安全系數(shù)，并考慮構(gòu)件工作級(jí)別、應(yīng)力集中情況等級(jí)和材質(zhì)3個(gè)因素。

焊接構(gòu)件的拉伸和壓縮疲勞許用應(yīng)力基本值見(jiàn)表1，單位為N/mm2。

1.4 疲勞應(yīng)力校核

根據(jù)載荷的實(shí)際情況計(jì)算出最不利的最大應(yīng)力值，按下式進(jìn)行校核。

式中：

|σxmax|、|σymax|——構(gòu)件在疲勞計(jì)算點(diǎn)上的絕對(duì)值最大應(yīng)力，單位（N/mm2）。

|τxymax|——構(gòu)件在疲勞計(jì)算點(diǎn)上的絕對(duì)值最大剪切應(yīng)力， 單位（N/mm2）。

[σxrt]、[σxrc]——與相應(yīng)的拉伸、壓縮疲勞許用應(yīng)力，單位（N/mm2）。

[σyrt]、[σyrc]——與相應(yīng)的拉伸、壓縮疲勞許用應(yīng)力，單位（N/mm2）。

[τxyr]——與τxymax相應(yīng)的剪切疲勞許用應(yīng)力，單位（N/mm2）。

通常起重機(jī)的結(jié)構(gòu)件在相同工況下進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核，為了確保安全，也可將各工況下的應(yīng)力值組合在一起，按最不利的r值計(jì)算許用應(yīng)力來(lái)進(jìn)行校核。

2 疲勞強(qiáng)度計(jì)算實(shí)例

該文以港口集裝箱龍門(mén)吊鋼結(jié)構(gòu)疲勞計(jì)算進(jìn)行分析。某型號(hào)RMG的主要參數(shù)為：額定起重量為45 t，軌距為23.47 m，起升速度為滿載30 m/min，小車(chē)速度為70 m/min。

2.1 建立有限元模型

因結(jié)構(gòu)均為箱型梁形式，故采用BEAM188單元模擬主梁和框架，采用LINK8單元來(lái)模擬門(mén)框拉桿，采用MASS21單元模擬附加質(zhì)量單元，建立有限元模型并計(jì)算。

2.2 有限元計(jì)算與分析

結(jié)構(gòu)所有金屬材料均為Q345B，許用應(yīng)力為345 MPa。

計(jì)算大車(chē)靜止?fàn)顟B(tài)，小車(chē)運(yùn)行狀態(tài)下工況如下：

工況一，額定載荷，小車(chē)在跨中位置。

工況二，額定載荷，小車(chē)最右端。

工況三，額定載荷，小車(chē)在集卡上方。

工作狀態(tài)計(jì)算風(fēng)壓q=250N/mm2，風(fēng)力系數(shù)1.2。

3種工況最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析得出，在工況一狀態(tài)下主梁和門(mén)腿位置計(jì)算應(yīng)力值相對(duì)較高分別為151 MPa、170 MPa，可以確定這些位置為危險(xiǎn)部位。

2.3 疲勞分析

2.3.1 計(jì)算依據(jù)

由設(shè)備使用狀態(tài)得知：利用級(jí)別U7，載荷狀態(tài)Q3，工作級(jí)別A8。

根據(jù)前文查表1得許用疲勞應(yīng)力值為55.4 MPa。

2.3.2 疲勞載荷計(jì)算工況及計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述有限元分析結(jié)果，在工況一狀態(tài)下計(jì)算疲勞應(yīng)力。此時(shí)大車(chē)機(jī)構(gòu)處于制動(dòng)狀態(tài)，起升機(jī)構(gòu)處于制動(dòng)狀態(tài)，小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)處于制動(dòng)狀態(tài)，取60%的額定負(fù)載，小車(chē)位置在跨中位置。

計(jì)算得出最危險(xiǎn)單元148的疲勞強(qiáng)度校核見(jiàn)表3。

3 結(jié)論

該文闡述了基于有限元方法分析結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的基本步驟，并結(jié)合實(shí)例對(duì)港口起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了校核，為工程技術(shù)人員在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)提供了一種計(jì)算依據(jù)。

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