岸边集装箱起重机抗震计算分析
2024-02-04
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式中r取2.5。 (4)遗传算法在理论上已经借鉴生物进化及 遗传学机理,形成了一套较为完整的算法体系 当然在实践上还有很多问题有待于进一步研究、 探讨和完善。 参用遗传算法进行搜索时,主要参数取为:群 体大小15,大突变变异概率和2点逆转变异概率 0.5、0.2,最大运行代数为30。变量取值范围为 D∈[10,20],N∈[1,15]。迭代到第30代时 最优解为D=17,N=6,参照35号钢,采用正火 考文献 1梁尚明,殷国富.现代机械优化设计方法.北京:化学 处理的螺栓许用载荷取整为D:.18,N=6。达到 工业出版社,2005 设计要求。 2陈立周.。机械优化设计方法.北京:冶金工业出版 5结论 社,2005 3陈伦军等.机械优化设计遗传算法.北京:机械工业出 (1)遗传算法使用方便,是一种高效的优化方 版社,2006 法,且它为优化设计提供了一条新的技术途径。 4 De Jong K A,Sarlna J.Generation Gaps Revisited.In Foun・ (2)改进的遗传算法具有快速收敛到最优解 dations of eGnetic Algorithms 2,Whitley LD(Ed),Mor- 和算法稳定的优点。 gan Kaufmann Publishers,1993 (3)对于机械工程中其他的一些优化问题, 作 者:冯锦春 可针对具体问题进行不同的编码,并对约束进行 地 址:四川工程职业技术学院 不同的处理来解决问题。可见该算法在机械工程 邮 编:618000 中的实用性、通用性和有效性。 收稿日期:2008—03—13 岸边集装箱起重机抗震计算分析 上海交通大学振动冲击噪声研究所李增光吴天行 上海振华港口机械有限公司 李义明 摘要:应用有限元软件ANSYS建立了岸边集装箱起重机(以下简称岸桥)三维计算模型,基于模态分析 结果,以计及码头放大作用的设计反应谱作为输入,利用反应谱法对岸桥进行了抗震计算。计算结果表明,耦 合模态的作用使纵向地震作用引起一定的垂向位移响应;在运行小车处于前大梁端部且吊有集装箱工况下,横 向地震作用时,由于在岸桥响应中起主要作用的第7阶模态对应的固有频率接近横向地震反应谱峰值对应的频 率,岸桥应力响应较大;但是,总的来讲岸桥在各向地震作用下的应力响应不是很大。 关键词:岸边集装箱起重机;地震响应;反应谱;有限元 Abstract:The paper uses finite element software ANSYS to build the 3D calculating model for quayside container crane,and carries out the anti—earthquake calculation by means of response spectrum,based on model analysis and the design response spectrum considering the factor of amplifying wharf structure.The calculating result shows that longitudinal earthquake wave causes certain vertical displacement response of crane under coupled mode;and horizontal wave causes greater stress response of crane due to seventh order natural frequency,which plays a key role in the crane response,being close to the corresponding peak value of horizontal earthquake response spectrum,when trolley is fully loaded at front end of igrder:whereas stress response of crane is not great under lal directional earthquake waves acting. Keywords:quayside container crane;seismic response;response spectrum;finite element 1 茎 圭 奋 岸边集装箱起重机(简称岸桥)是现代港口 求,结构也越来越大,其动态特性[1-2]分析成为一 《起重运输机械》 2008(12) 一31— 个研究热点。岸桥这样的大型结构,运行安全性 非常重要,目前研究主要涉及抗风性能和防风装 置设计 “J。我国是一个多地震国家,预防地震灾 N/ ,泊松比0.3,密度7 850 kg/m 。 利用ANSYS的前处理器建立岸桥的三维有限 害最根本的措施就是提高工程结构的抗震设计能 元模型(见图1),计算模型共有1 420个单元。 海陆侧立柱、海陆侧上下横梁、门框横梁和前后 力 J。因此,岸桥结构的抗震性能分析也至关 重要。 本文利用有限元软件ANSYS建立了岸桥三维计 算模型,对其进行模态分析。基于模态分析结果利 用ANSYS的反应谱法分析功能对岸桥结构进行了抗 震计算和分析,其结果对工程设计具有参考价值。 2反应谱法基本理论 模态分析是反应谱法的基础,1个N自由度系 统经过模态分析可以得到其第n阶固有频率 及 振型{ } ,n=1,2,…,Ⅳ。假设已知加速度 反应谱|s。( , ),则系统第n阶振型最大位移 响应为 {s} = { } .s。( , )/∞:,n=1,2,…,Ⅳ (1) 式中: 为第n阶振型阻尼比;y 为第n阶振型 的振型参与系数, =去 ;[ ]为 系统质量矩阵;{,}为单位列向量。 采用一定的振型组合方法,如平方和开平方 (SRSS)方法,由各振型响应最大值{Js} 计算出 系统动力响应最大值{.s}~ 厂 ———一 s}一 √ {s (2) 式(2)中的平方与开方运算均是对向量中各 个元素进行。 3岸桥抗震计算与分析 3.1岸桥有限元模型 集装箱岸桥主要用于码头集装箱装卸作业,主 要由运行大车、门架结构(主要包括海陆侧立柱、 上下横梁、门框横梁及撑杆系统)、前后大梁、前 后拉杆、操作机房、运行小车及吊具等组成,见图 1。大车沿横向(OY向)运行在码头地面轨道上, 而小车沿纵向(OX向)运行在大梁轨道上,对停 靠船舶进行集装箱装卸。岸桥金属结构材料为 Q345,屈服极限345 MPa,杨氏弹性模量2.06×10“ 一32一 大梁采用Beam44单元建模;海侧梯形架及门架撑 杆采用Pipel6单元模拟;运行大车根据刚度等效 原则简化为等效梁,采用Beam44单元模拟;操作 机房、小车、吊具及集装箱简化为集中质量,采 用Mass21单元模拟;由于前后拉杆由若干段铰连 接构成,因此采用只有拉压刚度的 ̄nkl0单元模 拟;钢丝绳采用Matirx27单元来模拟它与集装箱 构成的单摆系统。岸桥前、后大梁之间的铰连接 通过节点自由度耦合模拟,约束大车等效梁下端 的3个平动自由度和绕OX、OZ轴的2个转动自由 度。抗震计算时,分2种工况:①小车位于前大 梁端部且吊有集装箱,见图1a,在垂向地震作用 下该位置是最不利的;②空载前大梁收起,见图 lb,该工况在水平地震作用下是不利的,因为系 统垂向重心位置较高。 图1集装箱岸桥有限元模型 1.大车等效梁2.前大梁3.后大梁4.海侧立柱 5.陆侧立柱6.海侧上横梁7.陆侧上横梁 8.海侧下横梁9.陆侧下横lO.门框横梁 11.前拉杆1 12.前拉杆2 13.后拉杆 14.运行小车位置l5.操作机房 16.集装箱及钢丝绳17.海侧梯形架 3.2抗震设计反应谱 采用智利国家码头集装箱起重机的抗震设计 加速度反应谱,有 0.25g ≤ S (T)= 0.5 < (3) 0.15g T>3 《起重运输机械》 2008(12) 式中:T为结构固有周期;To=0.3 S为土壤固有 周期;g为重力加速度。 岸桥工作在码头水工结构上,因此需要考虑 码头结构在地震作用下的动态响应,其对设计反 应谱有一定的放大作用,定义其放大因子 l: . 果乘以由公式(4)确定的放大系数。同时考虑水 平和垂向地震作用时,垂向地震反应谱取为水平 反应谱的2/3。 3.3计算结果和分析 3.3.1模态分析结果和分析 由反应谱法原理可知,模态分析是反应谱法 (4) 的基础,因此首先对该结构进行模态分析。采用 Block Lanczos方法对岸桥进行模态分析,得到其在 2种工况下的前lO阶固有频率,分别见表1和表 2,图2和图3分别给出2种工况下主要的6阶振 型。由图2可见,小车位于前大梁端部且吊有集 式中:Tw为码头固有周期,对于纵向(OX向) 振动, ==0.817 S,对于横向(OY向)振动, 为设计模态阻尼比,取为0.05。 0.765 S; 抗震计算时, 采用的反应谱式(3),计算结 装箱工况下(工况1),岸桥第3、4和7阶模态对 (a) (c) 6 76x。1。0。’"。59x13x‘。1‘ 0-300135 —04…64‘ ̄…..。 ~(d) (e】 (f) 图2工况1下岸桥主要的6阶模态 (a)第3阶0.287 Hz(b)第4阶0.375 Hz(c)第5阶0.628 Hz(d)第6阶0.735 Hz (e)第7阶1.178 Hz(f)第9阶1.609 Hz x 15x10-3.44×10"3.73x10-3.00102 00131 0.29×10-3 58x10-3.87xl口 O0116  ̄00131_37x10-3.58x10-3 00153.00248 001.79_84xl0 .1ixlly OOl06 oo2oo .47x10 00142 OO236 00330.00425 0 94X1 .0ol89.00283.00378 (a) (b) (c) 一70xl口 120 0ol84 .一00111-23×10-3.64x1 00152 00240 o L (f) —0ol02_39x10-3.25x10 .89x10" .00152 00155.67XI 2l×l .0o108 ool96 16-'(10一.43x10一O0l02 O0161.00220 (d) (e) 图3工况2下岸桥主要的6阶模态 (a)第1阶0.323 Hz(b)第2阶0.457 Hz(C)第3阶0.461 Hz(d)第4阶0.708 Hz (e)第5阶0.872 Hz(f)第6阶1.465 Hz 《起重运输机械》 2008(12) 一33一 表1工况1下岸桥前1O阶模态 阶次 频率/Hz 振型主要特征 作用、任一水平向地震与垂向(OZ)地震共同作 用下的响应。 1 2 3 4 5 0.879 0.9O9 0.287 0.375 0.628 集装箱钢丝绳横向单摆运动 集装箱钢丝绳纵向单摆运动 前后大梁绕门架扭转 门架横向弯曲 门架纵向弯曲与大梁垂向弯曲 地震作用下岸桥前大梁端部后的大梁机房位 置处的位移响应见表3。由表中数据可见:①工况 1下,岸桥在纵向地震作用下,由于耦合振型(第 5阶,见图2)的作用前后大梁除纵向位移外还存 在一定的垂向位移,尤其是前大梁端部;工况2 下,存在同样的现象,主要受第4阶振型(见图 6 0.735 前后大梁1阶垂向弯曲 7 1.178 前后大梁1阶横向弯曲 8 1.5l8 前大梁1阶扭转 9 1.609 前大梁2阶与后大梁1阶垂向弯曲 10 1.672 后大梁2阶横向弯曲 表2工况2下岸桥前10阶模态 阶次 频率/Hz 振型主要特征 l 0.323 门架、前后大梁横向弯曲 2 0.457 门架扭转和大梁横向弯曲耦合 3 0.461 前大梁1阶纵向弯曲 4 0.708 门架和前大梁2阶纵向弯曲耦合 5 0.872 前后大梁1阶横向弯曲 6 1.465 后大梁1阶垂向弯曲 7 1.598 后大梁横向2阶弯曲 8 1.785 前大梁1阶扭转 9 2.177 后大梁1阶、前大梁2阶扭转 10 2.761 海侧梯形架横向弯曲 其在横向地震作用下的响应起重要作用;第5、6 和9阶模态对大梁在垂向地震作用下的响应起重 要作用;而第5阶模态也主要影响岸桥在纵向地 震作用下的响应。 由图3可见,岸桥空载且前大梁收起工况 (工况2),第1、2和5阶模态对岸桥在横向地震 作用下的响应起重要作用;第3、4和6阶模态对 大梁在垂向地震作用下的响应起重要作用;而第 3、4阶模态也主要影响岸桥在纵向地震作用下的 响应。 3.3.2反应谱分析结果和分析 反应谱分析时,对每种工况,分别计算岸桥 在纵向(OX)和横向(OY)2个水平向地震单独 34一 3)影响;②2种工况下,横向地震作用主要引起 前后大梁的横向位移;③纵向或横向地震和垂向 地震共同作用时,大梁出现较大的垂向位移;但 是,工况2下考虑垂向地震作用前大梁垂向位移 响应变化不大,因为前大梁收起后其弯曲变形主 要引起纵向位移。 表3岸桥在地震作用下位移响应 位移响应/mm 工 载荷情况 前大梁端部 机房位置 况 纵向 横向 垂向 纵向 横向 垂向 纵向 28.5 0.05 65.3 28.6 0.01 8.2 横向 O.4 51.2 2.4 0.2 33.4 0.2 1 纵向+垂向 29.0 0.07 73.1 29.1 0.O3 22.5 横向+垂向 5.3 51.2 33.0 5.4 33.4 20.9 纵向 1O3.8 0.6 19.2 32.6 O.2 1 o.5 横向 0.3 45.0 O.2 0.1 28.5 0.o7 2 纵向+垂向 105.1 0.6 19.2 33.O 0.2 34.2 横向+垂向 16.2 45.0 0.6 5.1 28.5 32.4 岸桥结构在地震作用下的应力响应是判断其 强度的主要参数。表4给出了岸桥在地震作用下 的最大应力以及出现位置。由于岸桥主要采用梁 单元模拟,该处的最大应力为梁截面上由弯曲引 起的正应力与轴向应力之和的绝对值的最大值。 由表4中数据可见:( 种工况下,岸桥在各种地 震作用下出现最大应力的位置一致;②在纵向地 震作用下,工况2下岸桥最大应力大于工况1下的 结果,原因在于工况2下岸桥前大梁收起导致其 垂向重心增高;③横向地震作用下,工况2下岸 桥最大应力小于工况1下的结果,原因在于工况2 下起主要作用的振型(第1、2、5阶,见图3)对 应的固有频率都远离放大因子对应的共振频率 《起重运输机械》 2008(12) (约1.307 Hz),而工况1下起主要作用的振型 用岸桥大梁除纵向位移外还有一定的垂向位移 响应。 (第3、4、7阶,见图2)中第7阶模态对应的固 有频率(1.178 Hz)靠近放大因子对应的共振频 率(约1.224 Hz),通过计算比较也发现第7阶模 态对岸桥在横向地震作用下的响应最大;④在纵 向或横向地震和垂向地震共同作用下,岸桥应力 最大值出现在后大梁与陆侧上横梁连接处,因为 (2)小车位于前大梁端部且吊有集装箱工况 下,在横向地震作用时,由于对岸桥响应起主要 作用的第7阶模态对应的固有频率接近横向地震 反应谱峰值对应的频率,岸桥最大应力响应大于 前大梁收起工况下的结果。 (3)前大梁收起工况下,纵向地震单独作用 该位置距离操作机房(约257 t)位置比较近且受 到陆侧上横梁的约束作用。总的来讲,岸桥在地 或与垂向地震共同作用下岸桥前大梁垂向位移响 震作用下的应力响应不是很大。 应均较小,但纵向位移响应较大。 表4岸桥在地震作用下应力响应 (4)前大梁收起导致岸桥垂向重心位置增高, 工 载荷情况 最大应力响应/MPa 该工况下纵向地震作用引起的应力响应较大。 况 应力值 出现位置 (5)各向地震作用下,岸桥应力响应不是很 大,小于材料的屈服极限(345 MPa)。 纵向 29.9 海侧立柱与门框横梁连接处 横向 29.2 后大梁与海侧上横梁连接处 参考文献 1 纵向+垂向 38.7 后大梁与陆侧上横梁连接处 1 臧照良,胡雄.集装箱岸桥模型的动力特性计算与试验 横向+垂向 40.4 后大梁与陆侧上横梁连接处 分析.上海海事大学学报,2006,27(1):12—16 2张氢,杨林,喻燕等.65t集装箱岸桥动力仿真建模及 纵向 33.6 海侧立柱与门框横梁连接处 其在起升工况分析中的应用.机械设计,2007,24 横向 15.1 后大梁与海侧上横梁连接处 (5):4O—43 2 纵向+垂向 57.6 后大梁与陆侧上横梁连接处 3艾明飞,董达善.大型岸桥风灾事故分析及防风措施. 港口装卸,2005(3):12—13 横向+垂向 54.8 后大梁与陆侧上横梁连接处 4曹峻铭,王晓东,张晓东等.岸桥防风装置及其改造. 港口装卸,2006(2):l4—15 4结束语 5沈聚敏,周锡元,高小旺.抗震工程学.北京:中国建 筑工业出版社,2000 本文建立了集装箱岸桥的三维有限元模型, 基于模态分析结果利用ANSYS的反应谱分析模块 作 者:李增光 计算了岸桥在各向地震作用下的位移和应力响应。 地 址:上海市闵行区东川路800号上海交通大学 计算结果表明: A0602021班 (1)在纵向地震作用下,由于耦合模态的作 邮 编:200240 西门字工厂自动化工程有限公司成立15周年 2008年是西门子工厂自动化工程有限公司(SFAE)成立l5周年。作为西门子在中国自动化领域投资的第一 家运营公司,SFAE从1993年创建至今,已从最初的23人和只能提供数控产品服务和机床改造业务,发展成为在 全国拥有24个办事机构,800多名优秀员工,中国自动化领域专业的自动化工程解决方案提供商、低压电柜产品 制造商和自动化与驱动产品服务中心。为数控机床改造、港口机械/起重机、石油钻机、钢铁冶金、测试台系统、 汽车制造、生产执行系统(MBS)、运动控制信息系统(MClS)、生产机械等领域的5 000多家企业提供了西门子 专业的自动化工程解决方案、低压电柜产品和服务。2006年,SFAE荣膺中国电气工业100强。2007年排名更是从 第93位跃升至第74位,新订单额连续多年保持两位数的增长率,2008年预计将达到15亿元人民币。 刚刚落成的西门子驱动产品广州维修中心已于2008年10月1日正式开业。这是西门子工厂自动化工程有限公 司(简称SFAE)继北京、上海之后建立的第三家驱动产品维修中心。它的落成将为华南地区的客户提供更快捷的 服务,是SFAE强化地区服务。实现零距离客户关怀的又一有力举措! 《起重运输机械》 2008(12) 一35—