港口集裝箱軌道吊結構疲勞強度校核分析

徐自平

摘 要：經濟發展促進港口機械的快速發展，從而引起了研究者對機械結構疲勞程度的評估。港口集裝箱軌道吊是港口集裝箱裝卸作業中的重要設備，在該文作者提出了一種基于有限元仿真的疲勞強度校核。通過建立集裝箱軌道吊金屬結構的有限元模型，進行有限元分析仿真各結構件的靜強度計算，運用許用應力計算模型，確定最小疲勞壽命部位，并采用應力比法對疲勞強度進行校核分析。

關鍵詞：軌道吊;疲勞強度;有限元

中圖分類號：U674? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

港口起重機是承受循環載荷的大型機械設備，其金屬結構在使用期內疲勞破壞時有發生。因此對港口起重機金屬結構進行疲勞強度校核，具有十分重要的現實意義。港口起重機金屬結構的工作應力值小于其材料的屈服應力值，應力應變成線性關系，屬于高周疲勞。據此，采用應力比法對港口起重機金屬結構的疲勞強度進行校核。該文將以港口軌道吊為例進行疲勞強度校核分析。

1 疲勞強度計算理論

結構構件的抗疲勞能力取決于結構的工作級別、構件類別、結構件材料種類、結構件的最大應力和應力循環特性等。

對結構疲勞強度計算常采用應力比法和應力幅法。該文計算采用應力比法進行校核。

1.1 分析流程

該文在校核結構靜強度的基礎上，結合疲勞許用應力理論計算模型，提出了一種簡便的有限元疲勞強度校核方法：

根據結構參數，建立軌道吊的有限元模型。

對模型進行前處理：設置材料及單元屬性、網格劃分、定義邊界條件、施加工況載荷。

求解，并提取關鍵部位的應力值。

根據疲勞許用應力理論進行校核。

1.2 應力集中等級情況的確定

根據GB/T3811規范要求，將焊件應力集中情況劃分為：K0、K1、K2、K3和K4等5個應力集中情況。隨著連接應力集中等級的遞增，結構疲勞強度遞減。在疲勞強度校核時盡量采用較為合理的應力集中情況等級K值，見表1。

1.3 疲勞許用應力

構件疲勞許用應力按下表2公式計算，表中r為應力循環特性。為拉伸和壓縮疲勞許用應力的基本值，是r=-1的對稱應力循環實驗中得到的疲勞極限除以1.34安全系數，并考慮構件工作級別、應力集中情況等級和材質3個因素。

焊接構件的拉伸和壓縮疲勞許用應力基本值見表1，單位為N/mm2。

1.4 疲勞應力校核

根據載荷的實際情況計算出最不利的最大應力值，按下式進行校核。

式中：

|σxmax|、|σymax|——構件在疲勞計算點上的絕對值最大應力，單位（N/mm2）。

|τxymax|——構件在疲勞計算點上的絕對值最大剪切應力， 單位（N/mm2）。

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

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

[τxyr]——與τxymax相應的剪切疲勞許用應力，單位（N/mm2）。

通常起重機的結構件在相同工況下進行疲勞強度校核，為了確保安全，也可將各工況下的應力值組合在一起，按最不利的r值計算許用應力來進行校核。

2 疲勞強度計算實例

該文以港口集裝箱龍門吊鋼結構疲勞計算進行分析。某型號RMG的主要參數為：額定起重量為45 t，軌距為23.47 m，起升速度為滿載30 m/min，小車速度為70 m/min。

2.1 建立有限元模型

因結構均為箱型梁形式，故采用BEAM188單元模擬主梁和框架，采用LINK8單元來模擬門框拉桿，采用MASS21單元模擬附加質量單元，建立有限元模型并計算。

2.2 有限元計算與分析

結構所有金屬材料均為Q345B，許用應力為345 MPa。

計算大車靜止狀態，小車運行狀態下工況如下：

工況一，額定載荷，小車在跨中位置。

工況二，額定載荷，小車最右端。

工況三，額定載荷，小車在集卡上方。

工作狀態計算風壓q=250N/mm2，風力系數1.2。

3種工況最大應力計算結果如圖1所示。

根據計算結果分析得出，在工況一狀態下主梁和門腿位置計算應力值相對較高分別為151 MPa、170 MPa，可以確定這些位置為危險部位。

2.3 疲勞分析

2.3.1 計算依據

由設備使用狀態得知：利用級別U7，載荷狀態Q3，工作級別A8。

根據前文查表1得許用疲勞應力值為55.4 MPa。

2.3.2 疲勞載荷計算工況及計算結果

根據上述有限元分析結果，在工況一狀態下計算疲勞應力。此時大車機構處于制動狀態，起升機構處于制動狀態，小車運行機構處于制動狀態，取60%的額定負載，小車位置在跨中位置。

計算得出最危險單元148的疲勞強度校核見表3。

3 結論

該文闡述了基于有限元方法分析結構疲勞強度的基本步驟，并結合實例對港口起重機金屬結構的疲勞強度進行了校核，為工程技術人員在設計結構時提供了一種計算依據。

參考文獻

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