大型港口機械鋼結構細部處理問題的研究

摘 要：市場經(jīng)濟的不斷發(fā)展，帶動了大型港口機械制造行業(yè)在我國的迅速發(fā)展，由于行業(yè)的特殊性，其具有典型的規(guī)模經(jīng)濟的特點，需要投入大量的規(guī)定資產和資金，才能夠完成大規(guī)模的生產。近年來，隨著港口行業(yè)的快速發(fā)展，港口機械的運用也日漸廣泛，對于港口機械的結構也提出了更高的要求。

關鍵詞：大型港口機械；機械設備

卸船機是大型港口機械設備中的一項重要設備，也是具有典型意義的設備。卸船機性能對于整個港口機械設備的工作效率有著十分重要的影響。卸船機的鋼結構承載著整個機械設備的翻重、起升荷載等多方面的重力，因此，該機械設備的鋼結構較為復雜，而且在應力的分布方面也十分復雜。與此同時，由于卸船機的鋼結構受到外伸距變化的影響，在設計的過程中必須要在保證強度和剛度不受影響的基礎上，盡量減輕設備本身的重量。而在鋼結構中，細部結構對于機械本身的安全性有著十分重要的影響。根據(jù)實際情況，細部結構處理對整機結構的安全性有重要影響，因此，細部結構處理顯得越來越重要；研究鋼結構動態(tài)分析主要以細部處理為主，目的是對細部結構有更深刻的了解，從而設計合理的細部結構以避免發(fā)生局部裂紋，確保結構的良好性能。

一、主要載荷和細部處理問題

在通常情況下，卸船機的額定起重量以及生產效率的制定是確保卸船作業(yè)順利進行的保證，也是對機械設備進行設計時所參考的標準。在實際的設計過程中，主要是根據(jù)抓斗的自重以及抓斗中物料的重量的總和作為機械設備的集中荷載，并且這部分荷載會全部施加在該設備中，因此，如果在細部結構方面不能進行有效的處理，則會導致設備發(fā)生局部的承載力不夠，進而發(fā)生變形或者是裂紋，甚至由于無法承受荷載而發(fā)生倒塌。在卸船機的結構設計中，決定其結構強度的主要結構就是桿件連接的接頭。對于這一部位來說，根據(jù)焊接工藝的要求，必須要進行焊接工藝孔的設置和預留，如果工藝孔的位置和大小不夠科學，則根據(jù)相關的計算結果進行焊接時，則無法確保工藝孔的施工質量達到標準，從而容易造成工藝孔局部的壓力超過其所能夠承受的膠極限。另外，在日常使用的過程中，這個位置也是容易發(fā)生裂縫的位置，因此，必須要加強對細部結構的處理，才能夠保證設備整體的安全性。

二、理論分析

傳統(tǒng)的焊接工藝孔目的是避免3條焊縫匯交于一點，產生應力集中。預留焊接工藝孔確實可以避免焊縫的匯交，然而，焊接工藝孔同時又會產生工藝孔附近區(qū)域的應力集中。應力集中是工程中常見的問題，指物體中應力梯度局部增高的現(xiàn)象，一般出現(xiàn)在物體形狀急劇變化的地方，如缺口、孔洞、溝槽以及有剛性約束處。應力集中能使物體產生疲勞裂紋，也能使脆性材料制成的零件發(fā)生靜載斷裂。在應力集中處，應力的最大值與物體的幾何形狀和加載方式等因素有關。反映局部應力增高程度的參數(shù)有理論應力集中因數(shù)，它是峰值應力和不考慮應力。集中時的名義應力的比值，恒大于1，且與載荷的大小無關。對受單向均勻拉伸的無限大薄板中的圓孔，該比值等于3。工程構件的應力集中因數(shù)可以通過實驗法和數(shù)值法確定。利用ANSYS軟件對含圓孔有限大矩形薄板兩端均勻受拉進行應力分析，得出應力集中因數(shù)隨不同的圓孔直徑與板寬比值的變化曲線。通過和彈性力學解的比較，AN-SYS計算出的含圓孔薄板的應力集中解是可靠的。應力集中因數(shù)的收斂性與網(wǎng)格劃分的密度有關。矩形薄板的應力集中因數(shù)除與徑寬比有關外，還與長寬比有關。當徑寬比趨向0時，應力集中因數(shù)趨向預測值3。當長寬比大于2時，不同長寬比的應力集中因數(shù)趨向一致，可用近似計算。因此，焊接工藝孔避免了焊縫匯交引起的應力集中，而同時又引起了孔附近的應力集中。

三、模型處理和計算載荷

1.根據(jù)設計圖紙監(jiān)理細部結構的模型，并且利用梁單元和殼單元的聯(lián)合運用進行建模。計算荷載的過程是形態(tài)的，其應當遵循的原則主要有以下幾個幾方面：

①保證整體鋼結構的整體設計都采用梁單元進行模擬建模；②在細部鋼結構的處理上，堅持使用殼單元進行模擬建模，并且采用梁單元與殼單元聯(lián)合實現(xiàn)剛性約束的方式，這也是十分有效、簡潔的方式；③大型行走結構與鋼結構不能夠同時處在一個模型中進行分析；④對立柱低端的約束力進行充分的考慮，確保其能夠向三個方向自由的釋放；⑤需要計算的荷載量除了鋼結構的自重之外，還應當包括節(jié)點的重量以及設備工作過程中產生的荷載，三者之和才是最終的荷載值。

2.將模型的支撐作為邊界條件，并保持合適的距離用來傳遞剛度，考慮3個方向的力和3個方向上的彎矩，然后將各個方向的應力組合，形成一個平均應力，該應力能有效地反映聯(lián)接點上的應力分布，可以用來判斷結構的安全性。

四、結語

基于有限元分析的主聯(lián)接點計算，可以得到聯(lián)接點處的應力不滿足材料的許用應力，根據(jù)設計規(guī)范，是不符合要求的。必須采取相應的措施來降低應力以滿足材料的許用應力值。由于焊接工藝孔造成局部應力集中，把工藝孔覆蓋是一種降低應力集中的方法。另外增加聯(lián)接板的長度也可以有效的降低應力，在集中應力處焊接一塊厚板也是能有效降低應力的方法。

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