关于岸边集装箱起重机结构轻量化设计及可靠性分析

吕瑞军

[摘 要]在国际各港口码头，到处都能够看到岸边集装箱起重机的身影，它成为港口码头使用的重要机械之一，尤其是随着近几年来我国与世界各国的贸易增多，岸边集装箱起重机的适用范围也是逐渐扩大。因此，合理设计岸边集装箱起重机的结构，实现轻量化和高可靠性是我们研究的重点。在岸边集装箱起重机的主结构分析中可以发现钢材的使用量是影响整个起重机重量的关键，所以我们要对起重机的主结构进行轻量化设计。在现有的集装箱起重机的设计方案中钢材的占比高、材料浪费严重是普遍存在的问题。本文依托ANSYS平台，对岸边集装箱起重机的主结构进行研究，包括主结构截面尺寸方面和受力方面。在满足集装箱起重机主结构的强度、刚度均符合许用值的前提下尽可能的使主结构总质量最小，达到轻量化的目的。在满足了强度、刚度方面之外，我们还需要利用ANSYS 软件概率分析功能对优化后主结构进行可靠性分析，确保各个方面均达到要求后，最终真正实现轻量化设计的目的。

[关键词]集装箱起重机 轻量化设计 起重机结构

中图分类号：V237 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）27-0326-01

一、轻量化设计

随着经济的迅速发展，各国与各国之间的对外贸易往来也逐渐的增多，尤其是近几年来我国同其他国家的贸易往来增加，港口码头各种装卸货物的设备作用就显得更加重要了。岸边集装箱起重机作为重要的码头装卸设备更加值得我们深刻的研究。随着国际贸易的迅速发展，运输集装箱的船舶也出现了大型化的趋势，这就要求岸边集装箱起重机的主结构也相应大型化设计，同时其主结构部分质量占整机的质量比例高，钢材的单价也不断上涨。因此，为了获得更大的经济效益，对岸边集装箱起重机进行轻量化的设计迫在眉睫。下面就以常规的岸边集装箱起重机为研究对象，对它的主结构进行分析：前伸距63m，后伸距20m，大车轨距30m，基距20m，材料Q345钢。利用Beam188单元和Mass21单元在ANSYS中进行参数化建模，并模拟各种不同的实际工况对岸边集装箱起重机进行分析，各种实际工况包括动力学工况也包含静力学工况。通过分析之后我们可以发现，有三种工况是处于三个不同位置的静刚度。而另外其他工况是小车处于不同位置的静强度。当然我们分析得到的这些结论是在只考虑额定起吊质量的情况下分析的。

从表1我们能够看出各工况的应力、应变在满足规范的要求下，还有一些多余的成分。我们有必要对岸边集装箱起重机主结构进行轻量化设计，从而降低生产成本，提高产品性价比。我们将主结构的最小质量确立为主函数，各工况的应力和应变值为状态变量，使其小于许用值。并且选择各主结构部件横截面的高度值宽度值作为设计变量，比如大梁立柱等。把各个变量的取值确定在一個合适的范围内。而且我们通过精度较高的一阶方法进行叠算，并最后取得最精准的取值。然后我们将优化结果进行取整处理，并最后对得到的结果进行分析。通过分析来比较优化前与优化后结果的差异存在。为了方便观察比较我们将优化后的数据列入表中与优化前的数据进行对比，以便于更好的发现问题、解决问题。

表2是优化前后静力学分析结果对照表。从表2中我们可以看出优化后的主结构在各种工况下，其最大的应力、应变值明显高于优化前的数据。并且各项数据均满足要求。岸边集装箱起重机主结构质量由之前的896541kg减少到优化后的859452kg。陆侧立柱截面的宽度和大梁截面的宽度均有所减少，各板板厚均减小至设定的最小值。

二、优化设计结果可靠性分析

对岸边集装箱起重机进行轻量化的设计是一个复杂的过程，构成起重机的部件很多，大到主结构的大梁，小到细微的散零件，其中重要的组成部件一旦发生扭曲变型，那么将会导致整个的截面形状发生改变。如果截面形状一旦发生改变就会引起众多与其配合的零件发生连接形式上的失效。下面我们对主结构中各板的厚度进行优化处理，而其自身的外形尺寸不发生变化。并且针对不同厚度的板我们优化的尺寸范围也各不相同。在轻量化的设计过程中一些相关的其他变量也是能够影响研究结构的，为此我们在轻量化设计的过程中引入一些，比如：材料强度、材料尺寸等变量。引入其余变量分析后并不能确保其整体的结构符合我们的标准，为了使我们的分析具有全面代表性，我们还要对优化后的岸边集装箱起重机主结构的一些不确定因素进行分析。其形式为：Z=G（X）=R-S。X就代表随机的变量，X我们就将取值为1、2、3，R就代表的是结构抗力，而S就是结构的综合效应。当我们发现G值大于0的时候此时就说明我们的结构是处于相对安全的状态。我们观察G值的大小，当发现G≦0时，此时，我们就要对结构进行分析，出现这种情况通常结构表现为失效状态。蒙特卡罗法和响应面法就是我们采用的来处理时效结构常用的方法。蒙特卡罗方法（Monte Carlo method），是我们经常使用的统计模拟法，是在二十世纪中期被提出来得，蒙特卡罗法的应用面非常广泛，并且他有一个极好的优点就是只要我们的模型准确，并且进过多次的试验，模拟足够多的例子，得出的结果是非常有可信度的。而响应面法区别于蒙特卡罗法，它是通过一系列的确定试验来模拟极限状态的一种方法。

三、轻量化设计的意义所在

基于各项研究的数据，从中我们可以观察到利用ANSYS软件对岸边集装箱起重机的主结构进行轻量化的设计，其优化后的结构质量明显下降。并且经过优化，岸边集装箱起重机主结构的强度和刚度得到了合理的利用。充分利用了主结构整体性能，实现了整机自重减少，产品成本降低，效益增加的目的。

结束语

我们对岸边集装箱起重机主结构进行的研究，提取各种有价值的数据对其进行分析，可以明显的观察到结果，优化后的大梁有明显的轻化，减少了材料的使用量，且在优化以后强度刚度等各方面均在规范要求的许用值之内。而且通过文中的数据我们可以看到，大梁的刚度条件得到了充分的利用，如果我们进一步调整一下拉点的位置，并把变形之间的问题协调好，这样材料的利用率就更高了。本文研究的是基于ANSYS平台，对岸边集装箱起重机主结构进行的简单研究和分析，如果对其进行全方位的探究还需要我们进行更加深刻的研究。利用ANSYS平台研究分析的岸边集装箱起重机的主结构计算满足规范要求，实现了主结构钢材的合理化使用。通过一系列的研究我们对岸边集装箱起重机达到了轻量化设计的目标，有效降低了企业的生产成本，提升了经济利益，对于企业的可持续化发展有着重要的意义。

参考文献

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