（机械设计及理论专业论文）集装箱起重机风灾分析与防范研究.pdf

摘要 岸边集装箱起重机( 以下简称“岸桥”) 迎风面积大，重心高，故在台风或 突发性阵风发生时很容易遭受风力的袭击产生事故。事故的发生不仅直接影响码 头正常的生产秩序，同时也给港口企业造成重大的经济损失，而且还可能造成严 重的人员伤亡。因此有必要对港口起重机的防风抗台工作进行研究，以确保港口 安全生产。 针对岸桥的风灾事故，传统的观点认为是实际风速超过设计风速而导致岸桥 被风吹翻。但通过本文研究发现，5 5 m s 的风力根本不可能使起重机原地倾覆； 岸桥风灾事故中相当一部分是由于岸桥被风吹动遇阻突停而引起的。被风吹动 并加速移动的起重机，当一侧门腿的大车缓冲器受到阻挡，另一侧门腿就可能 被抬起。根据撞击前起重机积蓄能量的不同，可能出现两种情况： ( 1 ) 如果能量足够大，一侧门腿抬起很高，重心转到大车基距以外，直接 倾翻倒塌。 ( 2 ) 如果起重机被风吹动后移动距离比较短，速度较小，积蓄的能量也较 小，那么起重机一侧门腿被抬起的高度不至使起重机整机倾覆而又落下，使门 腿受到地面的冲击力而丧失稳定性，导致起重机坍塌。 本文主要以上海洋山深水港的岸桥为例，针对上述的第二种情况，从岸桥门 腿在冲击力作用下的失稳机理出发研究岸桥的风灾事故。另外还分析了岸桥结构 件的风振机理及结构件在风力作用下产生疲劳破坏和焊缝开裂的原因。主要工作 如下： 1 根据岸桥的金属结构设计图纸，建立整机的a n s y s 模型及门腿的d y n a 模型，并在此模型的基础上展开本文的各项研究。 2 对薄壁结构受冲屈曲载荷的求解进行了理论推导分析，并利用显式动力 学( d y n a ) 软件对岸桥门腿进行冲击屈曲仿真分析，对门腿的冲击失效过程进 行了比较详尽的分析。 3 在岸桥门腿失效分析的基础上，对现有岸桥的防台措施进行了研究。在 仿真分析时考虑了岸桥可能遇到的最不利的风速，并结合目前岸桥的防风抗台 特点，分别对岸桥前大梁放平和前大梁仰起两种状态进行分析，得到了岸桥在 风载作用下各部件的响应；分析了目前岸桥抗风防台工作的不足之处及岸桥在 不同风速作用下发生事故的临界移动距离，为岸桥管理工作者提供一定的参考。 4 利用a n s y s 对岸桥常用规格的圆管进行模态分析，讨论圆管各参数对 其固有频率的影响。从风的基本特性出发对岸桥后拉杆、水平撑杆及斜撑杆的 风致振动原理进行分析，同时还详细论述了确定构件产生横风向涡激共振的临 界风速的方法，并且探讨了横风向共振的锁定现象。 关键词：岸边集装箱起重机、防风抗台、稳定性、有限元、冲击动力学、风振响 应 a b s t r a c t q u a y s i d ec o n t a i n e rc r a n e sa r ee a s i l ya t l a c k e db yt y p h o o no rp a r o x y s m a l n t f u lw i n db e c a u s eo ft h eb i gw i n d w a r da r e aa n dt h eh i g hc e n t e ro fg r a v i t y s u c ha c c i d e n t sn o to n l yi n f l u e n c et h en o r m a lp r o d u c t i o no r d e ro ft h ep o r t d i r e c t l yb u ta l s oc a u s et h eg r e a te c o n o m i cl o s e st op o r te n t e r p r i s e ，a n d f u r t h e r m o r ea l s oc a u s es e r i o u sc a s u a l t i e s s oi t sn e c e s s a r yt od or e s e a r c ho n t h ew i n d p r o o fm e a s u r e s ，i no r d e rt og u a r a n t e et h es a f e t yo fp o r ti np r o d u c t i o n a b o u tt h ed i s a s t e ro ft h ec r a n e sc a u s e db yw i n d s t o r m ，t h et r a d i t i o n a lv i e w i st h a tw h e nt h ea c t u a lw i n ds p e e de x c e e d e dt h ed e s i g n i n gw i n ds p e e d ，t h e q u a y s i d ec o n f i n e rc r a n e sw i l lc a p s i z e b u tt h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h e w i n d l o a do f5 5m e t e r sp e rs e c o n dc a nn o tm a k et h ec r a n e sc a p s i z ea ta l l ； m o s to ft h ed i s a s t e r sc a u s e db yw i n d s t o r ma r eb e c a u s eo ft h es u d d e ns t o p w h e nm e to b s t a c l e t h ec r a n eb l o w nb yw i n dw o u l dm o v ei nh i g hs p e e d ，w h e n t h eb u f i e r so fo n es i d eo ft h el e g sa r es t o p p e d ，t h el e g so ft h eo t h e rs i d em i g h t b el i f t e d a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n c eo ft h eo b t a i n e de n e r g y , t w ok i n d so f s i t u a t i o n sm a yp r e s e n t ： ( 1 ) i f t h ee n e r g yi sl a r g ee n o u g h o n es i d eo f t h el e g sw o u l db el i f t e dv e r y h i g h ，a n dt h ec gw o u l dt u r n so u to ft h eb a s ed i s t a n c e ，t h ec o n t a i n e rc r a n e w o u l dt u m b l ea n dc o l l a p s ed i r e c t l y ( 2 ) i f t h em o v i n gd i s t a n c ei ss h o r t e rb l o w nb yw i n d ，t h es p e e di sr e l a t i v e l y l o w , t h es a v e de n e r g yi sr e l a t i v e l yl o w ，t h eh e i g h to fo n es i d el e g sl i f t e di sn o t a b l et om a k et h ec r a n ec a p s i z ea n dt h e nd r o p p e db a c k 。m a d et h el e g sl o s t s t a b i l i t yb e c a u s eo ft h ei m p a c t i n gp o w e ra g a i n s tt h eg r o u n d ，c a u s e dt h ec r a n e t oc o l l a p s e t h i sp a p e ru s e da q u a y s i d ec o n t a i n e rc r a n eo fs h a n gh a ly a n gs h a np o r t a sa ne x a m p l e ，t od or e s e a r c ho nt h ed i s a s t e rc a u s e db yw i n d s t o r mm a i n l yo n t h es e c o n ds i t u a t i o nm e n t i o n e da b o v e o t h e r w i s ew ea l s oa n a l y s e dt h e v i b r a t i o np r i n c i p l eo ft h ec o m p o n e n t s ，a n dt h er e a s o no ft i r e dd e s t r u c t i o na n d w e l d i n gl i n ef a t i g u ef r a c t u r eo ft h ec o m p o n e n t s t h ea n a l y t i cw o r km a i n l y i n c l u d e st h ef o l l o w i n gr e s p e c t s ： 1 s e tu pa n s y sm o d e la n dd y n am o d e lo ft h ec o n t a i n e rc r a n e ， a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n e dd r a w i n go ft h em e t a ls t r u c t u r eo ft h eq u a y s i d e c o n t a i n e rc r a n e 2 a n a l y s e dt h eb u c k i n go ft h i nw a l ls t r u c t u r eu n d e rs t r i k ei nt h e o r ya n d u s e de x p l i c i td y n a m i c s ( d y n a ) t oa n a l y s et h es t r i k eb u c k i n go ft h eq u a y s i d e c o n t a i n e rc r a n e ，a n dc a r r i e do ne x h a u s t i v ea n a l y s i so nt h el e ga b o u tt h e i n v a l i dc o u r s eo fi m p a c t 3 o nt h eb a s i so ft h ef a i l u r ea n a l y s i so nt h el e g ，w ec a r r i e do nr e s e a r c h o nt h em e a s u r e so fw i n d p r o o fo ft h ec r a n e s t h i sp a p e rh a sc o n s i d e r e dt h e m o s tu n f a v o r a b l ew i n ds p e e dt h a tm a ym e e tw h i l ec a r r y i n go nt h ee m u l a t i o n ， c o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fw i n d p r o o fw o r ka tp r e s e n t ，w ed i s c u s s e dt h e b e a md o w n w a r da n du p w a r ds e p a r a t e l y , g o tt h er e s p o n s eo ft h ec o m p o n e n t s u n d e rw i n dl o a d ，a n dh a sa n a l y s e dt h ec r i t i c a lm o v e m e n td i s t a n c eo ft h e a c c i d e n th a p p e n e du n d e rd i f f e r e n tw i n ds p e e d ，o f f e r e ds o m er e f e f e n c et ot h e m a n a g ew o r k e r s 4 u s ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r et oc a r r yo u tm o d e ia n a l y s i so nd i f f e r e n t k i n d so fp i p e s ，d i s c u s s e dt h ed e g r e eo fn a t u r a lf r e q u e n c yi n f l u e n c e db yt h e p a r a m e t e r so ft h ep i p e s ，p r o c e e d i n gt h ea n a l y s eo fv i b r a t i o np r i n c i p l eo ft h e s t r u c t u r ef r o mt h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i co ft h ew i n d t h i sp a p e ra l s od i s c u s s e d h o wt os e e kt h ec r i t i c a lw i n ds p e e do ft h eh o r i z o n t a lw i n dd i r e c t i o nm s o n a n c e i nd e t a i l ，a n dh a sd i s c u s s e dt h el o c k i n gp h e n o m e n o no ft h eh o r i z o n t a lw i n d d i r e c t i o nr e s o n a n c e k e y w o r d s ：q u a y s i d ec o n t a i n e rc r a n e ，w i n d p r o o f ，s t a b i l i t y ，f i n i t ee l e m e n t ， i m p a c t i n gd y n a m i c s ，t h ew i n ds h a k i n ga n dr e s p o n d i n g a im i n g f e i ，e n g i n e e r i n gd e p a r t m e n t d i r e c t e db yp r o d o n rd a s h a n 多 论文独创性声明 iy 9 7 3 5 1 1 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他 机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做 的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者躲嬖堆吼幽，7 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以上网 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段 保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 名：拈 翩虢主舀期：一夕 集装箱起重机风灾分析与防范研究 第一章绪论 1 1 本研究领域的国内外现状 风灾是自然灾害中影响最大的一种。根据德国慕尼黑保险公司对资本主义国 家损失1 亿美元以上的自然灾害统计分析结果表明，由于风的发生频次高、次生 灾害大，风灾的次数占自然灾害总数的5 1 4 ，经济损失占4 0 5 。据估计， 全球每年由于风灾的损失达1 0 0 亿美元，平均死亡人数2 万人以上。因而风灾 是给人类生命财产带来巨大损失的自然灾害1 】。 起重机作为一种高耸结构，对风载荷十分敏感。岸边集装箱起重机( 以下简 称“岸桥”) 是专业化集装箱码头的主要船舶装卸设备，在当前集装箱船舶大型 化趋势下，为了实现集装箱船舶高效的装卸作业，满足船公司加快船舶周转的要 求，集装箱装卸机械的结构参数也随之发生一系列的变化。大型化、高效化的岸 桥也随着船舶的大型化正日新月异、一代又一代的展现在我们的面前巧1 。由于岸 桥处于码头前沿工作，其结构高大，迎风面积大，风力作用中心高，故在台风或 突发性阵风发生时很容易遭受风力的袭击，极易造成事故，世界各港口的起重机 每年因风的作用而被吹走倒塌或损坏的事故不断发生。因此，我们有必要对大型 港口起重机的防风抗台工作进行研究，以便提出有效的、保障港口起重机安全运 行的措施，为企业的防风抗台工作提供依据。 从1 9 世纪起，科学家就已开始就风对结构的作用进行研究，经过一段时间 的努力，在十九世纪后期和二十世纪初期，出现了大量的风力是其重要载荷的结 构，如大跨度桥梁，大型港1 ：3 起重机等。结构风工程的研究，逐步成为重大的研 究课题。为此国际风工程学术会议1 9 6 3 年在英国t e d d i n g t o n 召开了首届学术 会议，讨论风工程中迫切的和最新发展的课题。接着每隔4 年召开一次o “。 结构风工程的研究，必须首先解决结构在风力作用下的受力状况。实验是解 决尚未明白的新出现的以及分析计算中所必须应用的参数的重要手段。不但干扰 源的风特性需要它，在风力作用下结构的性态研究也需要它。因此以风为干扰源， 以空气动力学为基础的风工程试验力学就成为首先解开问题的关键，以干扰源风 和结构响应性态试验数据为基础，必须解决大量结构抗风计算和设计问题，特别 是高( 高耸结构) 、大( 大面积屋盖) 、长( 大跨度桥梁) 、特( 体型、环境、要 求等独特的结构) 结构的出现，因而在风工程试验力学数据的基础上，力学理论 分析成为工程结构抗风计算重大的研究课题。在上面两项研究的基础上，在工程 应用上还存在许多具体的研究问题。如工程建造地区的地面粗糙度问题，以实验、 理论和实践经验相结合的抗风设计规范问题，与结构设计安全度有关的结构可靠 上海海事大学硕士学位论文 集装箱起重机风灾分析与防范研究 度和可靠指标问题等等，它们的解决既依据于长期的实践经验，国家对于工程设 计的政策方针，同时亦依据风工程力学的分析和研究，因此应用力学和设计的研 究成为研究联系工程实际的必不可少的课题。这样，风工程的实验力学、结构分 析力学和设计应用力学( 总称风工程力学) 这三方面成为重大的风工程研究领域。 最近几年，结构风工程方面的论文越来越多，内容更新较快，方向也在不断 地拓展，大多数论文都结合风洞试验倾向于建筑结构和桥梁结构的研究。对于建 筑结构、桥梁结构世界各国的专家都有相当深入地研究，包括结构的风致振动研 究以及风洞试验研究。但是像港口起重机这种大型的特殊结构，由于进行风洞试 验会大大的增加其制造成本，因此这项工作迟迟未展开。 上海振华港机公司( z p m c ) 在大型港口机械的防风抗台措施方面作了大量 的研究工作，研究开发了大量的新型防风装置并提出了大量防止起重机被风吹动 的措旋。 并于2 0 0 4 年3 月5 日，邀请国内部分专家，就超巴拿马型起重机如 何防风进行了座谈。z p m c 提出：一般来说，风本身吹不坏起重机( 因为起重机 制造厂设计时已经考虑到各种不利工况的大风) 。与会专家一致认为起重机的防 风关键是“要确保起重机在任何情况下不被风吹动”。因为动的起重机具有极大 的动能，当遇阻突停时，产生巨大的破坏力。起重机自身具有的动能是肇事祸首。 但令人遗憾的是该公司在港口起重机风灾事故原理方面没有更深入的研究。 1 2 起重机的风灾事故 近几年，港口起重机由于遭受台风侵袭而引起的风灾事故不断发生，事故的 发生不仅直接影响码头正常的生产秩序，同时也给港口企业造成严重的经济和生 产损失，而且还造成严重的人员伤亡。因此，大型起重机的防风抗台问题应该引 起重视。通过对多起事故分析可以看出，港口起重机风灾事故大致可以分为以下 几种： 1 2 1 整机滑移、整机倾覆 整机滑移基本都是港口起重机在工作状态或临时停车状态遭受突发性阵风 导致起重机被风吹动沿轨道快速移动最终与另一台静止的起重机相撞而引起倒 塌，或是与轨道端部的缓冲块相撞而引起倒塌如图( 1 - 1 ) 。 整机倾覆的原因较为复杂，总的来说下面三种情况可以直接或间接的导致整 机倾覆： 1 实际风速超过设计风速而导致整机倾覆失稳； 2 构件的整体失稳导致整机倾覆失稳； 3 构件丧失局部稳定性导致整机倾覆失稳。 上海海事大学硕士学位论文 2 集装箱起重机风灾分析与防范研究 图1 1 岸桥倾覆图 1 2 2 金属结构局部变形、焊接开裂 起重机金属构件在强大风压作用下，显得刚度不足而使构件屈曲变形，集中受 力较大处焊缝开裂。 1 2 3 起重机结构件疲劳断裂 起重机细长结构件如岸桥前后门框连接的斜撑杆、水平撑杆和梯形架的后拉 杆以及门座起重机的大拉杆等构件在风的作用下极易产生风致振动，结构件的风 振将会使结构件应力较大的部位产生危险的疲劳破坏，这种事故己有多起如图 ( 1 - 2 ) ，严重影响港口起重机的使用安全。 图1 - 2 水平撑杆开裂示意 1 2 4 岸桥在海运途中的灾难事故 岸桥在海运途中，载着岸桥的驳船整体摇摆。由于突发大风，局部风力超过 预定允许值，驳船和岸桥的摆动加剧，超过了岸桥的承受能力，岸桥就在结构最 薄弱处破坏导致坍塌。 作者将近几年发生的起重机风灾事故搜集，整理如表1 1 ： 上海海事大学硕士学位论文 3 集装箱起重机风灾分析与防范研究 表1 1 国内外的起重机风灾事故 时间地点事故描述备注 凌晨4 时，一台岸桥在作业中刚卸下一个集装箱，即被突岸桥处于工作状 青岛发狂风吹动。司机开倒车制动，码头上的工人拿木头和铁态，风力超过起 1 9 9 1 7 1 9 港 块塞轮子都无济于事。该机被风吹行8 0 多米，撞上另重机夹轨器的设 一台岸桥。两台起重机同时倒塌，造成司机一死一伤。计防风能力。 2 7 日，1 9 号台风在日本长崎登陆，1 9 台起重机都采用 起重机处于非工 了锚定装置，锚定抨头部采用t 字形结构。锚定坑面板 作状态，倒塌的 上有一长方形孔，锚定杆插入锚定孔后旋转9 0 ，锚定面 日本 板即会将锚定抨扣住。台风过后，1 9 台起重机中有两台 都是设置4 只锚 1 9 9 19 2 7 的桁架斜杆变形；4 台的锚定装置被破坏，并因此整机 定装置的起重 长崎 倒塌。 机，而设置8 只 锚定装置的起重 机都没有倒塌。 9 日，湛江港遭1 5 号台风袭击，起重机群被大风吹动 后相互撞击，导致7 台臂架式门座起重机沿大车轨道方 湛江 向被吹到海里，4 台臂架式门座起重机被垂直大车轨道 19 9 6 9 9 非工作状态 港方向吹倒在海里，1 台日本进口的岸桥也被吹倒在海中。 另有16 台臂架式门座起重机被倒下之前的其它起重机 撞坏或出轨而不同程度的受伤。 零点多，0 3 # 岸桥刚结束作业，正在拉俯仰：0 2 # 岸桥正 在作业；0 1 # 在左侧锚定位置。突然刮起飓风，飓风暴 雨齐下，风速达4 0 粕秒。0 2 # 岸桥被飓风吹动，现场 人员采取措施试图阻止未果，仍然沿轨道方向由西向东 移动，最终撞到已作业完工的0 3 # 号岸桥。0 3 # 岸桥在 0 2 # 岸桥的撞击力和风力作用下开始向东( 左) 移动， 天津撞到已插好锚定插板的0 1 # 岸桥上。0 3 # 岸桥海侧门框 19 9 8 8 2 港 门腿出现失稳、曲折，大部分翻倒在海里：0 1 # 岸桥虽 处于锚定状态( 没有作业) ，但因只插入一只插板，被0 3 # 岸桥撞击后发生扭转，同时出轨向左滑行，撞翻码头上 的车档后停止。0 2 # 岸桥在撞击0 3 # 岸桥的过程中，因 受到0 3 # 岸桥的反作用力作用，部分车轮也脱出轨道， 减速后停了下来。轨道龙门吊有的被风吹出轨，有的被 风吹翻，有一台门机大拉杆被吹弯曲。 正在作业的甜岸桥，由于遭受大风暴而移动起来。其前 吉布 大梁和船相撞。船的上层建筑被扫倒；陆侧右边车轮出 2 0 0 2 9 1 提港轨：海侧左边车轮出轨：岸桥海陆侧大车法兰5 0 个高 强度螺栓断裂。 下午，一场自西北向东南方向的大风夹杂着冰雹，席卷 赤峰大半个赤峰市。在这场大风中，松山区境内某热电厂贮 2 0 0 2 9 8 工作状态 巾 煤场内两台双箱抓斗桥式起重机被吹落地面，造成两台 桥吊金属结构全部报废的严重事故，大车是东西走向。 上海海事大学硕士学位论文 4 集装箱起重机风灾分析与防范研究 第1 4 号强台风“鸣蝉”袭击韩国，使得韩国满目疮痍， 国内最大港口釜山港损失惨重，台风中整个釜山港共有 韩国 1 1 台岸桥被吹倒和毁坏，其中只有3 台可以进行修补， 2 0 0 3 91 2 严重影响了港口的装卸业务。码头上桥吊的防风系固底 非工作状态 釜山 座都被拉断、系固底座耳板跟底座间的焊缝开裂、预埋 螺栓头部或根部断裂底座连同预埋螺栓一起从混凝土 地基中拔出。 下午6 点半左右，上海某物流公司的搬运空地上，两台 6 0 吨的龙门吊被风吹动了整整7 0 多米，地面上的工人 用木头往吊车的轨道里塞，希望能够让车停下。可龙门 2 0 0 4 7 1 2上海工作状态 吊在风的作用下越走越快，最终一部龙门吊失控倾斜倒 地，一名司机不幸身亡，另一名司机从驾驶室里跳出逃 生，导致右手骨折。 下午2 ：3 0 左右，某大钢厂原料码头遭到突发大风袭击。 8 台卸船机中的一台6 桴机完全倾倒毁坏，1 3 结构落在 江里：5 撑机大车与门框下横梁的连接螺栓被剪断，大车 2 0 0 4 7 8上海与门框下横梁呈严重错位并全部出轨，与6 撑机相邻的海 侧门框右侧门腿局部弯曲失稳。两台卸船机损坏严重， 5 撑机几乎报废重新生产，6 # 机上横梁以上的上部结构还 可以利用。 宁波 两台1 0 t 门座起重机，分别于1 9 7 9 年和1 9 8 0 年在非工 1 9 7 9 、1 9 8 0非工作状态 港 作状态时，因风振引起箱形矩形截面拉杆断裂： 另外，据上海振华港机公司资料反映，该公司早期生产的温哥华桥吊斜撑杆， 德国不来梅桥吊门框的斜撑杆和美国新泽西马士基桥吊的水平撑杆都增发生过 风致振动。由于这些问题发现得早，及时采取了修正措施，没有引起结构破坏。 综上所述风对起重机的作用将会产生以下结果： ( 1 ) 使结构物或结构件受到过大的风力而失稳。 ( 2 ) 使结构物或结构件产生过大的挠度或变形，引起损坏。 ( 3 ) 由于反复的风致振动作用，引起结构或结构构件的疲劳破坏。 1 3 计算机仿真分析 如果将实验、理论称为第、第二手段，那么科学工程计算作为新兴的第三 手段的兴起，正在引起科研工作的一场结构性变化。它促进多学科间的交叉渗透 并加速基础研究向应用开发的过渡；其中有限单元法的应用己经促使传统结构分 析发生了革命性的变化。特别是近三十年来，随着电子计算机的飞速发展和广泛 应用，数值仿真分析方法已成为求解科学技术问题的主要工具。 计算机仿真模拟是利用电子计算机对自然现象、物理过程、系统结构、运动 上海海事大学硕士学位论文 集装箱起重机风灾分析与防范研究 规律、社会经济以至人脑思维等客观世界进行比较逼真的模仿。这一技术用于工 程结构的性能分析有特殊的作用。目前由物理模型、数值方法和可视化技术相结 合而发展起来的仿真分析，其结果可靠、直观而且正在随着计算机的普及与进步 迅速发展起来。计算机仿真技术不仅在科学技术方面得到广泛应用，而且在国防、 工农业、服务业及社会经济、文化各方面都有成功的应用例子，因而受到了广泛 的注意。与实验相比，计算机仿真具有以下优越性： 1 所需周期短。 计算机仿真与c a d c a m 相结合，使得影响新产品各种性能的参数在开发过 程中就可以得到控制，减少了产品的开发研制周期。 2 所需费用低。 由于不用传感器、高速摄像机等大量的实验设备，同时也不用耗费实验材料 从而大大节约了人力和物力。 3 具有可重复性。 由于实验过程受很多因素的影响，因此在研究不同参数对所研究问题的影响 时，不易得到明确的结果，而计算机仿真分析依赖于计算机硬件本身，所以当改 变某一参数时，可以很容易的得到该参数对系统性能的影响。 4 可以获得各种所需数据。 实验中要获得较多的数据，就必须增加传感器和高速摄像机等测量仪器的数 量，而且，由于传感器的安装位置要求以及不可摄像点的存在，有些数据是不可 获得的。而计算机仿真在数据获得方面是不受限制的，只要在所关心的点上建立 一个描述坐标即可。 5 不受时间、空间、气候等条件的限制，可以随时进行。 所以计算机仿真分析与实验相比存在一定的优越性。数值分析方法是计算机 仿真分析的核心，早期它可以分为两大类：一类是以有限差分法为代表，其特点 是直接求解基本方程和相应定解条件的近似解。借助于有限差分法，能够求解某 些相当复杂的问题，但用于几何形状复杂的问题时，它的精度将降低，甚至发生 困难。另一类数值分析方法是首先建立和原问题基本方程及相应定解条件相等效 的积分提法，然后据之建立近似解法。例如配点法、最小二乘法、g a l e r k i n 法、 力矩法等都属于这一类数值方法。这一类分析方法在不同的领域或类型的问题中 得到成功的应用，但是同样也只能用于几何形状规则的问题。而有限元的出现是 数值分析方法研究领域内重大突破性的进展，可以用于模拟几何形状复杂的求解 域并且可随着单元数目的增加，也即单元尺寸的缩小，或者随着单元自由度的增 加及差值函数精度的提高，使解的近似程度不断改进，如果单元是满足收敛要求 的，则近似解最终将收敛于精确解。 多年来，有限单元法的理论和应用都得到迅速的、持续不断的发展。到现在 有限单元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题和板壳问题，由静力平 衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析的对象从弹性材料扩展到塑 上海海事大学硕士学位论文 6 集装箱起重机风灾分析与防范研究 性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续 介质力学领域。在工程分析中的作用己从分析和校核扩展到优化设计并和计算机 辅助设计技术相结合。 我国学者自1 9 7 8 年以来的几十年的探索中已经在计算壳体稳定性问题方面 积累了极其丰富的研究成果，也开发了一些专用和通用的有限元程序。如北大力 学系引进的s a p s 、s a p 8 4 可对结构进行整体屈曲分析；北京农业大学研制的 m a s 系统可对杆、板、壳进行结构线性屈曲分析还可用于确定在特定的载荷下 结构是否稳定以及确定结构失稳破坏的载荷；大连理工大学自行开发的微机结构 分析程序d d j t j q 用于组合结构静力分析和屈曲分析，它可进行弹性屈曲、给 定初始膜内力状态的弹性屈曲、弹塑性屈曲及在轴压与均匀外压力作用下的圆柱 壳的弹塑性屈曲分析。还可求得过分歧点以后的后屈曲性态。徐次达用残值法分 析杆件的弯曲、扭转、屈曲及应力波在杆中的传播，用残值法分析薄板的弯曲、 屈曲及振动；邓长根、沈祖炎亦采用残值法分析了矩形薄板超屈曲问题；在第三 届全国加权残值法学术会议上采用最小加权残差法分析了薄板的弯曲及屈曲；黄 承义等利用有限差分法计算了粘塑性薄壁圆管中复合应力波的传播特性并得到 了一些有益的结论。而国外已经形成了商品化软件市场，开发出了很多大型的可 用于分析各种结构问题的通用有限元程序。具有代表性的有美国l i v e r m o r e 软件 技术公司l s t c 开发的l s - d y n a ，法国e s l 公司的p a m - c r a s h 以及其它一 些公司开发的如：n f a p 、s a p 、a n s y s 、a s k a 、e p i c 、m a r c 等。在这些 通用的程序中有很多( 如m a r c 、a d i n a 、s a p 、d y n a 等) 都可对非线性屈 曲问题进行分析。如l i n d b e r g l 最早采用有限元程序s a b o r o r a s t i c 讨论了 应变率反号对屈曲的影响；w e l l e r 等人采用其中的a d i n a 程序和有限差分法对 轴向冲击梁和板的动力屈曲问题进行了大量数值计算以及结构的初始几何缺陷， 讨论了载荷持续时间对载荷放大因子的影响；而l i a w 和y a n g 运用了有限元方 法对复合材料圆柱壳在时变载荷作用下的弹塑性动屈曲进行分析；k i r k p a t r i c k 用 d y n a 3 d 有限元程序研究了圆柱壳一侧受余弦分布载荷冲击时的弹塑性动力屈 曲问题；p e g g 用a d i n a 程序分析了圆环受均匀的径向冲击的弹塑性动力屈曲； f l b r e n c e 研究了应变率敏感的厚铜圆柱壳实验、数值分析和理论三者吻合的很 好；s a n t i g o 用a d i n a 程序研究了在一定载荷形状以下爆炸压力作用的圆柱壳 弹塑性动力屈曲问题。以上这些数值模拟分析和实验结果吻合的很好，表明数值 分析是一种用于结构变形分析的有效方法。 本论文将利用通用有限元分析软件a n s y s 及显式动力学软件d y n a 对岸桥 及其结构件进行有限元仿真计算，以了解其在风载荷作用下的一些响应特性。关 于有限元软件a n s y s 及显式动力学软件d y n a 的特点将在以后的章节中加以介 绍。 上海海事大学硕士学位论文， 集装箱起重机风灾分析与防范研究 1 4 本论文的主要任务 本文主要结合上海振华港机公司为上海洋山深水港制造的超巴拿马岸桥( 技 术参数见第三章) 为例，对岸桥的抗风安全性进行研究，其中主要通过以下几方 面来研究起重机的防风安全问题： 1 对大型港口机械在风载荷作用下易产生振动的结构件进行风振原理分析， 通过有限元软件a n s ；y s 进行计算机仿真分析，并通过算例来证明分析的可靠性。 提出相应的减振措施。 2 对薄壁结构受冲屈曲进行了理论分析，并利用显式动力学( d y n a ) 对集 装箱起重机进行冲击屈曲仿真分析，对门腿的冲击失效过程进行较详尽的分析， 为进一步研究岸桥风灾事故提供依据。 3 分别对大型港口机械在工作状态和非工作状态的抗风安全性进行分析，找 出两种状态下风灾事故的原因，比较当前各港口采用的防风装置的合理性和优缺 点，并根据自己的研究提出一定的看法，以供起重机工作者在起重机防风工作中 参考，为港口起重机的防风抗台工作贡献力量，实现本论文的工程意义。 4 通过有限元计算，找出岸桥在运动过程中发生事故的临界速度，对应于特 定风速下的临界移动最大距离，并作出两者之间的关系曲线，以便港口管理工作 者在防风抗台管理工作方面有据可循。 上海海事大学硕士学位论文 集装箱起重机风灾分析与防范研究 第二章港口起重机稳定性 起重机的稳定性是影响起重机使用性能和保证安全生产的重要指标，因此，不 但在设计上必须保证起重机的稳定性要求，而且要在使用过程中结合实际情况对其 进行必要的检查。为保证安全，起重机在出厂时安装了各种安全装置以预防事故发 生，这给使用者提供了正常情况下的安全保证，但也使使用者忽略了对其稳定性的 重视，从而导致管理上出现漏洞，甚至引发事故，最终造成很大的损失。起重机结 构内的受压构件、受弯构件和压弯构件都存在稳定性承载能力问题，而由型钢或由 钢板制成的组合构件还存在局部稳定性问题，另外就整机而言还存在整机的抗倾覆 稳定性问题。所以港口起重机稳定性一般都从以下三个方面来衡量：整机抗倾覆稳 定性，构件的整体稳定性以及构件的局部稳定性。 2 1 整机抗倾覆稳定性 起重机的整机抗倾覆稳定性是指起重机在自重和外载荷的综合作用下抵抗 倾翻的能力，目前国内外对起重机抗倾覆稳定性的校核主要有三种方法：力矩法， 稳定系数法和按临界倾覆载荷标定额定起重量。其中力矩法使用比较广泛，我国 起重机设计规范g b 3 8 1 1 8 3 中就是采用这种方法，同时这种方法也被欧洲、 日本等国广泛采用。这种方法的基本原则是：作用于起重机上包括自重在内的各 项载荷对危险倾覆边的力矩代数和必须大于或至少等于零，即肼0 。主要考 虑的是整机在不同工况下的质量分布会有所不同，从而引起整机重心的变化。另 外起重机工作环境也复杂多变，如在海边工作的起重机经常会遭遇台风袭击，有 时候甚至有地震或是海啸等自然灾难的影响。这些外力的因素也会导致起重机整 机倾翻。 6 j 一 图2 1 起重机简图 图2 _ 1 为起重机简图，起重机在外力作用下的倾翻力矩为肘倾。= ，日，而起 上海海事大学硕士学位论文 9 集装箱起重机风灾分析与防范研究 重机在自重作用下的稳定力矩为m 。= g 叫2 ，起重机制造商在设计起重机时已 充分考虑起重机在各种工况下的稳定性，因此m 。 膨。，起重机不会发生整体 失稳；当m 。 l f 。时，这时起重机会发生整体失稳。而在设计风速之下，起重 机还会受到夹轨器等防风装置的作用，因此可以说如果起重机在台风来临之前， 做好防风措施，起重机不会发生结构强度失效和刚度失效之外的事故。 但是如果起重机在台风来临时没有做好防风措施或是在工作状态台风突然 来临，导致起重机失控，起重机就会以一定的速度沿轨道运动，而且在风载荷的 作用下会越走越快，最终与相邻的起重机相撞或是与轨道端部的缓冲器相撞就会 使起重机的倾翻力矩加大。此时如果假设起重机在相撞之前的速度为v ，碰撞时 间为t ，则惯性力为t = g v g t ，由惯性力引起的倾翻力矩为膨。= t ( 为假 设的惯性力力臂，与起重机质量分布情况有关) ，则总倾翻力矩为 膨。= m 。+ m 。：，由于起重机的质量较大，如果起重机在碰撞之前的运行速度 较大，且碰撞时间较短，则起重机由惯性力引起的倾翻力矩将会远大于由起重机 自重弓i 起的稳定力矩，起重机将发生整体失稳，造成事故。 现在已有专项测试来测定起重机的整机抗倾覆稳定性，主要是测定起重机的 轮压以确定起重机的质量分布和重心位置。室外工作的起重机应该考虑环境的影 响，如风载荷，地震载荷等。通常没有特定要求的情况下地震载荷一般不予考虑， 起重机风载荷分为工作状态风载荷和非工作状态风载荷，前者是起重机在正常工 作情况下所允许承受的最大计算风力，后者则是起重机在非工作情况下所受的最 大计算风力。我国起重机设计规范中对工作状态风载荷和非工作状态风载荷 都有限定。要求起重机在设计时必须保证在工作状态风载荷作用下起重机能够正 常工作；在非工作状态风载荷作用下能够保证起重机安全，不会发生事故。 2 2 结构的稳定性 在起重机结构中，不乏受压构件、受弯构件和压弯构件，这些构件都存在会 否失稳的问题。此外这些构件大都是制成薄壁实腹式的，因而还存在会否发生局 部失稳的问题。 历史上关于结构稳定性的研究开始于1 8 世纪中期瑞士著名科学家e u r l e r ( 1 7 4 4 ) 关于细长压杆的临界压力的研究。由于当时主要建筑物为土木结构， 因此结构稳定性问题并未引起足够重视。2 0 世纪以来，随着钢材与高强钢以及 杆、板、壳等柔性结构元件在桥梁、航空、航天、造船、近海平台、海底管道、 高层建筑等方面的广泛使用，在这些轻型结构设计中，结构稳定性问题显得日益 重要，有时屈曲强度不足可能成为控制结构失效的主要因素。因此结构屈曲性能 的研究长期以来一直是工程力学和结构工程界十分活跃的研究领域。 上海海事大学硕士学位论文 10 集装箱起重机风灾分析与防范研究 本节试图对这一领域的若干基本问题、处理方法以及一些主要的成果做一个 简要的综述，为后面展开讨论提供一些基础和方便。由于该问题涉及到时间参数、 各种非线性效应使得理论分析变得十分困难，用大型有限元程序精细地分析屈曲 和后屈曲过程是今后的一个发展方向。因此本文也对计算机仿真分析和有限元软 件的应用作了简述。 2 2 1 构件的整体稳定性 对于薄壁结构，由于薄膜应力的作用，其屈曲问题一直为人们所关注。在结 构稳定性问题中，有两种基本类型的失稳状态：即分叉点失稳和极值点失稳。它 们分别示于图2 - 2 和图2 - 3 中。 ( 矗) 图2 - 2 包含分叉临界点的载荷一位移平衡路径 分叉点失稳的特征是：结构在基本的载荷- 位移平衡路径( i ) 的附近还存在 另一分叉平衡路径( ) 。在分叉点处将发生平衡状态的转换，由原平衡状态( i ) 转换到新的平衡状态( 1 i ) ，两个平衡状态之间有质的差别。如图2 2 所示，载荷 位移曲线上有明显的拐点。这种状态的转换也导致结构的变形状态、应力状态发 生质的变化。载荷到达临界值只，时，如果结构或载荷有一微小的扰动，载荷一位 移将沿分叉平衡路径发展。对于图2 2 b 所示的分叉路径，结构将发生很大的变 形甚至破坏。发生在“完善”结构( 结构几何上无初始缺陷，载荷无偏心) 的理 想状态条件下的失稳常属此种情况。例如直杆受精确沿中心线方向的压力作用， 当载荷到达临界值时，杆子除平直的平衡路径( i ) 以外，还存在横向屈曲的平 衡路径( 1 1 ) ，而前者是不稳定的。此外，中面内受均布压力或剪力作用的平板， 以及中面内受均布轴向力或剪力或外压作用的圆柱壳等的失稳也属于此种情况。 由于实际结构和载荷不可能是完善的理想状态，因此载荷到达临界值附近，结构 发生分叉失稳常是不可避免的，而且此时的失稳表现为临界失稳的形式。 上海海事大学硕士学位论文 1 1 臣诊笙 集装箱起重机风灾分析与防范研究 ( 1 )( b ) 图2 3 包含极值临界点的载荷位移平衡路径 极值点失稳的特征是：极值点失稳过程中无分叉点出现，载荷位移曲线是平 滑的，在变形途径