韋晨陽,丁江民,馬思群,付宇彤,張寧博
(1.大連交通大學 機械工程學院,遼寧 大連 116028;2.大連交通大學 機車車輛工程學院,遼寧 大連 116028)
國家市場監(jiān)督安全總局發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示,在2012-2018年間我國塔式起重機(塔機)使用量呈明顯增加態(tài)勢,2018年起重機使用量增加到了234.79萬臺.同時,起重機的事故數(shù)也在不斷增加.究其原因,主要包含四個方面:起重機設計不合理、制造質量不過關、施工人員操作不規(guī)范、外部環(huán)境的影響.其中,塔式起重機的碰撞事故主要是由最后兩點原因造成的.施工人員操作不規(guī)范表現(xiàn)為:①小車機構或者吊臂突然加速啟動或者減速暫停,造成所吊長大型重物搖晃;②群塔作業(yè)時,司機違反操作規(guī)范,造成塔機之間的相互碰撞.外部環(huán)境的影響主要表現(xiàn)為:①風載造成長大型重物的搖晃;②由于施工場地環(huán)境復雜,周邊建筑物、植被等都可能是塔機需要避讓的障礙物.
目前關于塔機結構耐碰撞性能方面的研究很少.Rahi A和Vimal Kannan I等[1-2]以截面形狀和組合方式為變量,研究了軸向載荷下鋁管的吸能性能,并指出相較于單管,組合管的吸能性能更好.崔亞輝等[3]研究了客車在30 km/h和50 km/h撞擊速度下碰撞過程中成員頭部及骨盆加速度、車內空間變形及側圍吸能情況.研究表明:乘員損傷參數(shù)值和車內空間變形量在合理范圍內,車側圍腰立柱和橫梁為主要吸能部件.盧萬杰等[4]設計了一種薄壁管與泡沫鋁相結合的吸能結構,研究了其不同結構參數(shù)下的吸能性能.都雪靜等[5-6]研究了某電動車SUV前端關鍵部件在低速碰撞時的變形及吸能情況,并根據(jù)分析結果對結構進行了優(yōu)化改進.
本文以某型號單臂塔式起重機塔身結構為研究對象,借鑒車輛碰撞仿真分析經驗,對塔身耐碰撞性能進行分析.通過碰撞物與其在不同工況下的碰撞仿真,獲得相關數(shù)據(jù),進而分析出塔身何處位置的碰撞對結構危害性更大,并找出塔身薄弱位置,改進塔身結構,為后續(xù)塔式起重機碰撞的相關研究和塔身結構設計等工作做出鋪墊.
塔身碰撞問題屬于典型的大變形、大位移的非線性問題.非線性問題一般包括材料非線性、幾何非線性和接觸非線性.當發(fā)生碰撞時,塔身會在很短的時間內出現(xiàn)大變形和大位移,同時結構中面與面的接觸也會發(fā)生變化.因此碰撞問題具有復雜且計算量大的特點,一般采用顯示非線性有限元方法進行處理.
(1)運動方程
設物體上某一點a的初始時刻坐標是Xα(α=1,2,3),位于A處,經過時間t后,該物體上的點a運動到B處,如圖1所示.在相同坐標系下的坐標為Xi(i=1,2,3),運用Lagrangian增量法可得其運動方程.
圖1 空間物體運動
xi=xi(Xα,t)
(1)
(2)能量守恒方程
(2)
Sij=σij+(p+q)σij
(3)
(4)
(3)質量守恒方程
ρ=Jρ0
(5)
式中:ρ為當前的質量密度;ρ0為初始時刻的質量密度;J為密度變化系數(shù).
(4)動量守恒方程
(6)
圖2所示為單臂塔式起重機整體有限元模型,主要由主臂、副臂、平衡臂、變幅拉桿、塔尖、塔身等部分組成.其中塔身由12節(jié)兩種不同的標準節(jié)組成,標準節(jié)結構如圖3所示.A型標準節(jié)(如圖3(a)所示)的主弦桿是邊長為72 mm的正方形鋼管,其長度為1 995 mm.每個側面由4根邊長為24 mm的斜腹桿組成的1對“躺V”結構作為支承.為防止截面變形,在標準節(jié)上部和下部設有加強筋.B型標準節(jié)(如圖3(b)所示)的主弦桿同樣是邊長為72 mm的正方形鋼管,長度大約為標準節(jié)A的一半,為975 mm.每個側面由兩根邊長為30 m的斜腹桿組成的單個“倒V”結構作為支承.
圖3 塔身標準節(jié)
考慮到碰撞過程中觀測對象為塔身結構的變形,因此省略塔身上部主臂、副臂、平衡臂等部位,將其質量等效為一個質量單元,施加到塔身上部,并且參照塔機實際運用過程中的約束條件,約束塔身頂部相關位置的自由度.塔身底端固定在剛度很大的金屬結構上,按固定支座考慮,約束塔身底部相關位置的全部自由度.
圖4 塔身上部碰撞有限元模型
仿真時,在距離塔身前端100 mm位置處,設置一碰撞物體,如圖4所示.該碰撞物體模擬塔機工作時,由于相關因素(風載影響、塔機的突然啟停、密集化作業(yè)時塔機之間的誤碰撞等)造成塔機所吊長大型重物搖晃致使重物與塔身發(fā)生碰撞或者塔機吊臂與相鄰塔機塔身發(fā)生的碰撞.
本文通過Creo5.0建立塔身模型和碰撞物模型,將其以step格式導入HyperMesh 14.0中,創(chuàng)建其有限元模型.假設碰撞物體為剛性體,塔身結構采用Q235B鋼材,將材料性能設為常數(shù),忽略材料的初始缺陷.其主要材料密度為8.94e-6kg/mm3,彈性模量為210 GPa,泊松比為0.3,屈服強度為0.241 GPa,切線模量為6.1 GPa.
對于塔身碰撞仿真,塔身材料卡片選擇反映材料彈塑性力學特性的MAT24卡片,碰撞物體假設為剛體,選用MAT20卡片.塔身和碰撞物體之間的接觸選用“Automatic_Surface To Surface”[7].塔身與碰撞物發(fā)生碰撞時,塔身的自接觸類型選用“Single Surface”,動、靜摩擦系數(shù)均設置為0.2.
為了能夠較為全面地反映塔身碰撞后的變形情況,碰撞物以速度20 km/h,方向為X軸正方向,分別撞擊塔身上部(距離塔頂5 207 mm)、中部(距離塔頂11 192 mm)和下部位置(距離塔頂19 172 mm).重力加速度大小為0.009 8 mm/ms2,通過創(chuàng)建xplot來建立重力加速度曲線,方向為Z軸負方向.
將碰撞模型在HyperMesh中賦予模型屬性,添加約束和控制卡片后,以k文件的形式導入到L-DYNA軟件中進行仿真計算,最后在HyperView中查看碰撞數(shù)據(jù).
碰撞物與塔身之間的碰撞是一個能量守恒的過程,動能隨著碰撞物體速度的不斷降低而逐漸減少,而內能不斷增加,其中一小部分能量通過其他形式被耗散.在系統(tǒng)動能逐步轉化為內能的過程中,圖中所有能量曲線均應是光滑的,若曲線某位置發(fā)生突然改變,則可能是這個位置發(fā)生了較大的質量或沙漏增加.在碰撞過程中,沙漏能和滑移能所占總能量的比例應該均小于5%,且沙漏能的值不能為負[8];質量增加需小于系統(tǒng)總質量的5%[9];只有質量和能量的變化在合理的范圍內,碰撞仿真結果才是可靠的.
圖5為碰撞速度是20 km/h時的塔身上部碰撞能量曲線,從圖中可以看出,總能量約為39.83 kJ,圖中沙漏能最終保持在1.27 kJ,占總能量的3.19%,滑移能約為0.31 kJ,占系統(tǒng)總能量的0.78%,且質量增加占比極少,符合碰撞標準.在整體的碰撞過程中,總能量曲線上下波動很小,動能逐漸轉換為內能,符合能量守恒定律.(其他工況下的能量碰撞曲線同塔身上部碰撞一樣,符合碰撞標準,此處不再贅述.)塔身在被碰撞過程中吸收的總能量與碰撞力和碰撞位移有關,計算公式如下:
圖5 塔身上部碰撞能量曲線
(7)
其中,F(xiàn)(s)為碰撞力,s為碰撞位移.
根據(jù)公式可知,當吸收的能量總量一定時,塔身在單位碰撞位移內吸收的能量越高,塔身碰撞變形程度就越小,其結構耐碰撞性能就越好.
表1為碰撞時間和節(jié)點侵入位移信息.碰撞時間即碰撞物動能初次降至最低時所需要的時間.侵入位移即在碰撞時間內塔身觀測點的水平侵入距離.塔身碰撞觀測點設置在碰撞物與塔身碰撞位置處的主弦桿上.
表1 塔身碰撞時間和位移信息(20 km/h)
圖6為碰撞速度在20 km/h的情況下塔身碰撞位置處的節(jié)點侵入位移曲線圖,從圖中可以看出發(fā)生在塔身中部的碰撞,其碰撞位置處的節(jié)點侵入位移最大.結合表1可知,當碰撞物撞擊塔身時,塔身中部的碰撞時間和上部碰撞時間相近,分別為96 ms和94 ms,塔身下部碰撞用時最短為61 ms.塔身中部侵入位移為133 mm,遠遠大于塔身上部侵入位移89 mm和下部侵入位移86 mm.因此,發(fā)生在塔身中部的碰撞,危害性更大.
圖6 塔身碰撞位置處節(jié)點侵入位移曲線
此外,通過有限元仿真分析還發(fā)現(xiàn)了一個規(guī)律:發(fā)生在塔身上部和塔身中部的碰撞,其碰撞位置處標準節(jié)A的變形要小于同種碰撞速度下塔身下部的碰撞.分析其原因,可能是塔身上部標準節(jié)B的“倒V”結構提高了塔身結構的縱向承載能力,而該結構橫向耐碰撞性能較差.當碰撞位置距離塔身上部越近時,碰撞力對標準節(jié)B的影響就越大,其變形程度也就越大,如圖7所示.因此需要對標準節(jié)B的結構進行改進.
圖7 改進前塔身結構碰撞變形細節(jié)圖
標準節(jié)B結構由于缺少橫向支承,致使其抵抗橫向變形的能力弱,進而影響塔身結構整體的耐碰撞性能.考慮到要盡量保持原塔身結構原貌,不影響塔身結構其他方面的力學性能,因此改進措施在滿足要求的前提下切忌繁瑣.改進措施如下:在“倒V”結構中間位置添加橫腹桿,將橫腹桿與斜腹桿連接在一起,提高該結構抵抗橫向沖擊的能力,如圖8所示.標準節(jié)B結構的主弦桿中間位置處設置觀測點(碰撞方向).
圖8 標準節(jié)B改進前后對比
圖9為結構改進后標準節(jié)B的結構變形細節(jié)圖.當碰撞物以20 km/h的速度撞擊塔身上部位置時,標準節(jié)B發(fā)生了一定程度的變形,但是相較于結構改進前,變形程度發(fā)生了明顯的改善.當碰撞位置發(fā)生在塔身中部和下部時,標準節(jié)B變形程度很小,證明了改進后的標準節(jié)B具有良好的抵抗橫向沖擊的能力.
圖9 改進后塔身結構碰撞變形細節(jié)圖
圖10反映了結構改進前后三種碰撞工況分別對標準節(jié)B結構觀測點位置處的節(jié)點侵入位移造成的影響.通過曲線可以看出:當碰撞位置發(fā)生在塔身上部時,改進后的標準節(jié)B結構的節(jié)點侵入位移與原結構相比發(fā)生了明顯的減??;當碰撞位置發(fā)生在塔身中部時,改進后的標準節(jié)B結構的節(jié)點侵入位移略小于原結構;當碰撞位置發(fā)生在塔身下部時,改進前后的兩種結構的節(jié)點侵入位移曲線處于基本重疊的狀態(tài).綜上,標準節(jié)B結構經改進后,其抵抗橫向沖擊的能力有了明顯的改善.
圖10 塔身碰撞節(jié)點侵入位移曲線(20 km/h)
屈曲分析用于確定結構的屈曲載荷(使結構開始變得不穩(wěn)定的臨界載荷)和屈曲模態(tài)(結構屈曲響應的特征形態(tài)).對變形后的塔身進行屈曲分析,驗證其結構是否會因塔機自重因素導致坍塌.工況選擇塔身中間位置碰撞,速度為5.56 m/s,選取6階屈曲振型分析,特征值最小值出現(xiàn)在第1階,其值λ1=102.69,失穩(wěn)載荷的大小為該工況下施加載荷的102.69倍,如圖11所示.在塔身結構改進前,其特征值最小值為λ0=89.24,該值小于λ1,因此改進后的塔身結構具有更好的穩(wěn)定性.
圖11 碰撞后塔身結構屈曲分析
(1)有限元仿真結果輸出的能量位移曲線驗證了運用HyperMesh軟件和LS-DYNA軟件進行塔身碰撞仿真的可靠性;
(2)對“碰撞時間”和“侵入位移”數(shù)據(jù)的對比分析得出:發(fā)生在塔身中部的碰撞,結構變形更嚴重、危害性更大;標準節(jié)B結構抵抗橫向沖擊能力差,容易發(fā)生變形;
(3)對標準節(jié)B結構進行改進設計后,能夠有效提高該結構耐碰撞性能,增強其塔身結構抵抗碰撞變形的能力.