大型港口机械钢结构细部处理问题的研究

摘 要：市场经济的不断发展，带动了大型港口机械制造行业在我国的迅速发展，由于行业的特殊性，其具有典型的规模经济的特点，需要投入大量的规定资产和资金，才能够完成大规模的生产。近年来，随着港口行业的快速发展，港口机械的运用也日渐广泛，对于港口机械的结构也提出了更高的要求。

关键词：大型港口机械；机械设备

卸船机是大型港口机械设备中的一项重要设备，也是具有典型意义的设备。卸船机性能对于整个港口机械设备的工作效率有着十分重要的影响。卸船机的钢结构承载着整个机械设备的翻重、起升荷载等多方面的重力，因此，该机械设备的钢结构较为复杂，而且在应力的分布方面也十分复杂。与此同时，由于卸船机的钢结构受到外伸距变化的影响，在设计的过程中必须要在保证强度和刚度不受影响的基础上，尽量减轻设备本身的重量。而在钢结构中，细部结构对于机械本身的安全性有着十分重要的影响。根据实际情况，细部结构处理对整机结构的安全性有重要影响，因此，细部结构处理显得越来越重要；研究钢结构动态分析主要以细部处理为主，目的是对细部结构有更深刻的了解，从而设计合理的细部结构以避免发生局部裂纹，确保结构的良好性能。

一、主要载荷和细部处理问题

在通常情况下，卸船机的额定起重量以及生产效率的制定是确保卸船作业顺利进行的保证，也是对机械设备进行设计时所参考的标准。在实际的设计过程中，主要是根据抓斗的自重以及抓斗中物料的重量的总和作为机械设备的集中荷载，并且这部分荷载会全部施加在该设备中，因此，如果在细部结构方面不能进行有效的处理，则会导致设备发生局部的承载力不够，进而发生变形或者是裂纹，甚至由于无法承受荷载而发生倒塌。在卸船机的结构设计中，决定其结构强度的主要结构就是杆件连接的接头。对于这一部位来说，根据焊接工艺的要求，必须要进行焊接工艺孔的设置和预留，如果工艺孔的位置和大小不够科学，则根据相关的计算结果进行焊接时，则无法确保工艺孔的施工质量达到标准，从而容易造成工艺孔局部的压力超过其所能够承受的胶极限。另外，在日常使用的过程中，这个位置也是容易发生裂缝的位置，因此，必须要加强对细部结构的处理，才能够保证设备整体的安全性。

二、理论分析

传统的焊接工艺孔目的是避免3条焊缝汇交于一点，产生应力集中。预留焊接工艺孔确实可以避免焊缝的汇交，然而，焊接工艺孔同时又会产生工艺孔附近区域的应力集中。应力集中是工程中常见的问题，指物体中应力梯度局部增高的现象，一般出现在物体形状急剧变化的地方，如缺口、孔洞、沟槽以及有刚性约束处。应力集中能使物体产生疲劳裂纹，也能使脆性材料制成的零件发生静载断裂。在应力集中处，应力的最大值与物体的几何形状和加载方式等因素有关。反映局部应力增高程度的参数有理论应力集中因数，它是峰值应力和不考虑应力。集中时的名义应力的比值，恒大于1，且与载荷的大小无关。对受单向均匀拉伸的无限大薄板中的圆孔，该比值等于3。工程构件的应力集中因数可以通过实验法和数值法确定。利用ANSYS软件对含圆孔有限大矩形薄板两端均匀受拉进行应力分析，得出应力集中因数随不同的圆孔直径与板宽比值的变化曲线。通过和弹性力学解的比较，AN-SYS计算出的含圆孔薄板的应力集中解是可靠的。应力集中因数的收敛性与网格划分的密度有关。矩形薄板的应力集中因数除与径宽比有关外，还与长宽比有关。当径宽比趋向0时，应力集中因数趋向预测值3。当长宽比大于2时，不同长宽比的应力集中因数趋向一致，可用近似计算。因此，焊接工艺孔避免了焊缝汇交引起的应力集中，而同时又引起了孔附近的应力集中。

三、模型处理和计算载荷

1.根据设计图纸监理细部结构的模型，并且利用梁单元和壳单元的联合运用进行建模。计算荷载的过程是形态的，其应当遵循的原则主要有以下几个几方面：

①保证整体钢结构的整体设计都采用梁单元进行模拟建模；②在细部钢结构的处理上，坚持使用壳单元进行模拟建模，并且采用梁单元与壳单元联合实现刚性约束的方式，这也是十分有效、简洁的方式；③大型行走结构与钢结构不能够同时处在一个模型中进行分析；④对立柱低端的约束力进行充分的考虑，确保其能够向三个方向自由的释放；⑤需要计算的荷载量除了钢结构的自重之外，还应当包括节点的重量以及设备工作过程中产生的荷载，三者之和才是最终的荷载值。

2.将模型的支撑作为边界条件，并保持合适的距离用来传递刚度，考虑3个方向的力和3个方向上的弯矩，然后将各个方向的应力组合，形成一个平均应力，该应力能有效地反映联接点上的应力分布，可以用来判断结构的安全性。

四、结语

基于有限元分析的主联接点计算，可以得到联接点处的应力不满足材料的许用应力，根据设计规范，是不符合要求的。必须采取相应的措施来降低应力以满足材料的许用应力值。由于焊接工艺孔造成局部应力集中，把工艺孔覆盖是一种降低应力集中的方法。另外增加联接板的长度也可以有效的降低应力，在集中应力处焊接一块厚板也是能有效降低应力的方法。

参考文献：

[1] 重民慧，王悦民.大型港口机械钢结构细部处理问题的研究[J〕.起重运偷机械，2008（11）.

[2] 李斌，王悦民.大型港口装船机结构载荷组合及计算[J」.起重运偷机械，2009（3）.

[3] 何津淮.大型港口装却机械钢结构安全性能评估[J].矿山机械，2008（13）.

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