MQ60港口门座起重机金属结构有限元计算分析报告 .doc
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1、秦皇岛市北戴河通联路桥机械有限公司MQ60港口门座起重机金属结构计算分析报告上海海事大学物流工程学院项目负责人:梁岗2008年2月18日目录目录1一、前言2二、设计标准及规范2三、计算软件3四、有限元计算模型34.1几何模型34.2 材料特性参数64.3约束说明74.4工作工况确定94.5有限元模型的荷载确定104.5.1上部结构作用荷载114.5.2下部结构作用荷载184.5.3工作风载计算20五、有限元计算结果及分析215.1强度计算结果及分析215.2刚度校核345.3臂架稳定性计算35一、前言秦皇岛市北戴河通联路桥机械有限公司为东莞东江大桥(为连续性悬索加劲钢桁梁金属结构)施工设计的M
2、Q60港口门座起重机用于桥梁施工过程期间大型钢结构件的吊装。根据施工要求,主要用于安装主跨钢桁梁及桥面板等构件,属于单臂架全回转式安装起重机。主要行走机构有主起升机构、副起升机构、回转机构和步履行走机构。该起重机可在步履轨道下沿钢桥纵向移动(非吊装工作状态),在步履纵移到工作位置后,通过锚定装置将起重机锚定在已架设的钢梁上,从而达到作业状态。该起重机工作级别为A4,整体自重200吨。1、 工作环境如表1所示。工作环境 表1工作最大风压300N/m2工作环境温度1045相对湿度90非工作风压800N/m22、 主要技术参数如表2所示。主要技术参数 表2整机工作级别A4主、副起升M5变频、回转M4
3、前后移位M3起升高度30m最大/最小吊距9m/30m回转范围360度吊臂长度40m典型工况60t26.5m起重机总功率245kW主钩额定起重量60t副钩额定起重量16t支腿纵向间距16m支腿横向间距18m最大支点反力187t(前点)最大锚固拉力39t(后点)起重机总重200t吊机整机纵移方式液压步履移动二、设计标准及规范计算所依据的设计标准规范均按照起重机设计规范(GB38111983)的有关要求进行计算,其中稳定性计算是按照2007年起重机设计规范(报批稿)的有关要求进行计算。三、计算软件本计算所用软件为美国大型有限元计算分析软件ANSYS11.0。四、有限元计算模型4.1几何模型根据秦皇岛
4、市北戴河通联路桥机械有限公司所提供的MQ60港口门座起重机的设计图纸和该起重机作业的实际情况,我们将该起重机金属结构件分成上、下两部分结构组合整体建模, 其中上部结构包括臂架、转台、人字架、拉杆、主副及变幅驱动装置以及配重等; 下部结构包括支座、支腿、支腿联接杆及行走滑动装置等。上部结构中臂架系统的主、副弦管和人字架采用BEAM189梁单元,臂架系统各联接板和转台采用SHELL93板壳单元,拉杆、主副及变幅钢丝绳采LINK10单元,配重、主副及变幅电机、旋转大轴承以及各刚性区域联接点均采用MASS21质量单元,来建立上部结构有限元几何模型。同时根据实际钢结构情况及计算需要,对其设计结构模型进行
5、单元剖分后共得到7925个BEAM189梁单元,17087个SHELL93板壳单元数,7个LINK10单元,22个MASS21质量单元,其上部结构整体几何模型如图1、2、3所示,其局部模型如图4图11所示。下部结构中支座、支腿及支腿联接杆采用SHELL93板壳单元,各刚性区域联接点均采用MASS21质量单元建立其结构有限元几何模型。同时根据实际钢结构情况及计算需要,对设计下部结构模型进行单元剖分后共得到49150个SHELL93 板壳单元,13个MASS21质量单元,其几何模型如图12、13所示。另外,为简化计算模型,提高计算时效,便于约束和荷载施加,我们将该模型的臂架底部和转台连接处、转台底
6、部(旋转大轴承处)区域、支座上部(旋转大轴承处)区域、支座上部(旋转大轴承处)区域、支腿与支腿连接杆区域、支腿底部滑靴区域以及各MASS21模拟质量单元等处(如配重,主起升、副起升及变幅电机,旋转大轴承)均采用建立刚性区域的方法加以简化。图1 MQ60港口门座起重机上部结构有限元整体几何模型(正视图)图2 MQ60港口门座起重机上部结构有限元整体几何模型(等轴侧视图)图3 MQ60港口门座起重机上部结构有限元整体几何模型(实体图)图4上部结构有限元局部几何模型 图5臂架有限元几何模型 图6臂架头部有限元局部几何模型 图7臂架底部有限元局部几何模型 图8人字架有限元几何模型(正视图) (等轴侧视
7、图)图9转台有限元模型图10转台有限元前部几何模型 图11内部有限元局部几何模型 图12下部结构有限元几何模型 图13下部结构内部有限元几何模型4.2 材料特性参数由于MQ60港口门座起重机是以桥梁结构作为支承的基础,因此对整机重量有着严格的限制。所以在设计过程中,为了尽可能的减少整机重量,同时确保整机强度满足设计要求的情况下,采用Q345B及某些高强度材料。其中臂架系统的主弦管采用起重机臂架专用无缝高强度钢管Q345B,转台旋转大轴承处、支座上下两个盖板和腹板、支腿上下盖板和腹板等局部应力大的部位采用高强度板材Q345B。整机结构所采用材料的性能参数如表3所示。表3力学性能参数材料力学性能抗
8、拉强度Rm(MPa)屈服强度Rel(MPa)弹性模量(kN/mm2)泊松比密度(kg/m3)Q345B470-6303452200.2967.75103Q235B375-5002352060.37.851034.3约束说明在上部结构有限元计算模型中,需对其上部结构底部(即旋转大轴承处)进行位移约束,为便于考察旋转大轴承处支反力的变化情况,在旋转大轴承处建立1个MASS21质量单元节点,和转台底部平面建立刚性区域,从而形成1个刚性节点。并对该1个刚性节点在总体坐标平移和转动的六个分量TX,TY,TZ,RX,RY,RZ进行约束。在下部结构有限元计算模型中,由于模型中四个支腿底端侧向支反力比较大,因
9、此模型中在工作状态时,将基距一侧两个支腿底部MASS21点约束自由度TX、TY、TZ、RY、RZ,只释放X轴方向的旋转自由度RX;另一侧约束Y方向和Z轴旋转自由度即TY和RZ,释放其余自由度TX、TZ、RX、RY。另外,为了便于下部结构荷载的施加,在下部结构圆筒顶部(即旋转大轴承处)建立1个MASS21单元节点,与支座圆筒顶部建立1个刚性区域,其上部结构对下部结构的荷载将通过此刚性节点进行施加。从本次计算分析的目标和实际需要出发,为了简化有限元计算模型,我们采用MASS21质量单元模拟电机、减速箱、钢丝绳卷筒、配重、旋转大轴承等相关重量,并且使用了刚性区域联接,这样可以模拟质量单元对周围区域的
10、影响;同时由于臂架与转台、人字架与转台、人字架与拉杆等部位是通过销轴铰接的,因此我们对铰孔圆周节点的部分自由度进行约束,约束自由度TX、TY、TZ、RX、RY,释放铰接件在铰点处Z轴的旋转自由度RZ,这样可以使得部件间相对于铰接点能自由旋转,同时协调铰接两部件的其它位移(包括平移和转角位移),实现了各部件相关部位的位移耦合。图14 上部结构有限元模型整体约束情况图15 上部结构有限元模型局部约束情况图16 下部结构有限元模型约束情况4.4工作工况确定从本次计算分析的目标和该起重机的实际作业工况出发,其上部结构按照载荷组合划分为3种工况:旋转起升X方向风载、旋转起升Z方向风载、变幅起升X方向风载
11、;同时将上部结构在全回转过程的旋转位置划分了5种工况,上部结构分别旋转到0(两前支腿中间)、73(一前支腿)、90(支腿和前支腿中间)、140(一后支腿)以及180(两后支腿中间)5种工况。因此,根据载荷组合和作业旋转位置工况相结合,下部结构总共为15种工况,分别为:序号工况10旋转起升X方向风载20旋转起升Z方向风载30变幅起升X方向风载473旋转起升X方向风载573旋转起升Z方向风载673变幅起升X方向风载790旋转起升X方向风载890旋转起升Z方向风载990变幅起升X方向风载10140旋转起升X方向风载11140旋转起升Z方向风载12140变幅起升X方向风载13180旋转起升X方向风载1
12、4180旋转起升Z方向风载15180变幅起升X方向风载4.5有限元模型的荷载确定本次计算中的荷载系数及所采用的计算公式等均按照起重机设计规范(GB38111983)的有关要求进行荷载计算,我们按照设计的基本参数中的典型工况60t26.5m进行荷载,其基本荷载如下:货物重量60t主钩重量1.2t副钩重量0.4t风载荷300N/m2主钩钢丝绳密度0.285kg/100m主钩绳长30m8=240m副钩钢丝绳密度0.204 kg/100m副钩绳长30m8=240m主钩起升速度5m/min主钩起升时间3s回转速度5m/min回转速度时间3s变幅速度5m/min变幅速度时间3s货物当量受风面积43m2纵向
13、移动速度1.5m/min起升冲击系数旋转启动系数起升动载荷系数旋转角速度4.5.1上部结构作用荷载图17上部结构载荷加载图 图18上部结构主钩加载局部图图19上部结构副钩加载局部图加载位置、坐标系如图20 图20 加载位置、坐标系图第一种载荷组合工况:旋转起升X方向风载一、主钩荷载: 1、2、 3、 4、 主钩钢丝绳传递Px 、Pz方向的合力 二、副钩载荷1、2、 3、 4、 副钩钢丝绳传递Px 、Pz方向的合力 三、结构加载:1、方向加载分为两种情况:1)、由ANSYS程序内部经质量核算加重力载,这时只需要将g=9.8m/s2 变为10.8 m/s2 2)、确定其它配件重量和位置加MASS2
14、1点以及扶手栏杆采用分布荷载方法2、 A对于梁杆截面,A为单位长度上截面面积,有些截面与风力的方向成一定的角度,需按来计算。3、 第二种载荷组合工况:旋转起升Z方向风载一、主钩荷载:1、2、 3、 4、主钩钢丝绳传递Px 、Pz方向的合力 二、副钩载荷 2、 3、 4、副钩钢丝绳传递Px 、Pz方向的合力 三、结构加载1、方向加载分为两种情况:1)、由ANSYS程序内部经质量核算加重力载,这时只需要将g=9.8m/s2 变为10.8 m/s2 2)、确定其它配件重量和位置加MASS21点以及扶手栏杆采用分布荷载方法2、 A对于梁杆截面,A为单位长度上截面面积,有些截面与风力的方向成一定的角度,
15、需按来计算。3、 A 对于梁杆截面,A为单位长度上截面面积,有些截面与风力的方向成一定的角度,需按来计算。第三种工载荷组合况:变幅起升X方向风载一、主钩荷载:1、 2、 3、 4、主钩钢丝绳传递Px 、Pz方向的合力 二、副钩载荷2、3、 4、副钩钢丝绳传递Px 、Pz方向的合力 三、结构加载1、Pz方向加载分为两种情况,1)、由ANSYS程序内部经质量核算加重力载,这时只需要将g=9.8m/s2 变为10.8 m/s2 2)、确定其它配件重量和位置加MASS21点以及扶手栏杆采用分布荷载方法2、3、A对于梁杆截面,A为单位长度上截面面积,有些截面与风力的方向成一定的角度,需按来计算。考虑到构
16、造细节及结构附属结构质量,通过计算质量与理论质量之比,确定其折算密度,有限元计算程序将根据质量折算密度和结构体积自动计算其自重荷载。4.5.2下部结构作用荷载下部结构作用荷载指的是MQ60港口门座起重机上部结构(转台以上结构)在实际作业中对支座、支腿结构等下部结构的作用荷载,荷载施加在支座结构顶部刚性节点上,荷载施加的位置为如图21所示。图21下部结构作用荷载位置图其载荷总共分为分15种情况,分别为:0旋转起升X方向风载、0旋转起升Z方向风载、0变幅起升X方向风载;73旋转起升X方向风载、73旋转起升Z方向风载、73变幅起升X方向风载;90旋转起升X方向风载、90旋转起升Z方向风载、90变幅起
17、升X方向风载;140旋转起升X方向风载、140旋转起升Z方向风载、140变幅起升X方向风载;180旋转起升X方向风载、180旋转起升Z方向风载、180变幅起升X方向风载。下部结构作用荷载分别如下表(单位:N)工况 受力FXFYFZMXMYMZ0旋转起升X方向风载85585-1884300485221675700-1203100-132140000旋转起升Z方向风载75950-18843001291003640000-2474300-112600000变幅起升X方向风载80844-1884300014379-238.23-1302100073旋转起升X方向风载79090-188430097903
18、.9-11393000-1203100-383500073旋转起升Z方向风载121043-188430059366-88100002474300-124700073变幅起升X方向风载32830-188430073867.6-11891521238.23-5274577.790旋转起升X方向风载48522-188430085585-13214000-1203100167570090旋转起升Z方向风载129100-18843007595-112600002474300364000090变幅起升X方向风载0-188430080844-13021000-238.2314379140旋转起升X方向风载-
19、97423-1884300-89620-6479112031009613800140旋转起升Z方向风载-70344-188430099122.7-375000024743006840000140变幅起升X方向风载64888-1884300-47868-7721343238.2310459579.6180旋转起升X方向风载-85585-1884300-48522-1675700120310013214000180旋转起升Z方向风载-7595-1884300-129100-3640000247430011260000180变幅起升X方向风载-80844-18843000-14379238.2313
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