1、1在转载平台面板设计中应用塑性理论的探讨滕媛媛 董达善 梅潇上海海事大学 上海 200135摘要：文章以极限状态为设计准则，应用塑性设计理论探讨双小车岸边集装箱起重机上转载平台面板的设计。对于冲击动力学问题，依据能量法进行了理论推导，并有锁销跌落试验验证，最后在 ANSYS/LS-DYNA 环境中仿真模拟，三者结合证明了所得结果的正确性。考虑到实际情况和设计规范的限制和要求，提出合理设计，其方法和思路可供类似设计问题借鉴。关键词：极限状态；塑性设计；跌落试验；ANSYS/LS-DYNA 仿真0. 引言近年来，科技的发展推动了港口起重机技术的进步，随着集装箱运输船舶的大型化、船公司对港口集装箱装
2、卸作业效率要求的提高以及越来越多自动化码头的建成，双小车岸边集装箱起重机也应运而生，它突破仅仅依靠通过提高起升和运行机构速度来提高岸边集装箱起重机装卸效率的传统思路，借助转载平台（如图 1 所示），将常规由一个小车完成的集装箱作业循环，经由转载平台分配给海侧小车和陆侧小车分别承担，使相邻的作业循环部分并行，从而提高单机的集装箱装卸作业效率，并且能够使司机与小车分离，减轻了司机的作业劳动强度。转载平台的结构功能为：应能承受正常使用可能出现的各种施加在结构上的载荷，以及引起结构的变形；在偶然事件（集装箱锁销高空跌落、带冲击满载集装箱的作用等）发生时和发生后，仍能保持必需的防护功能（保护地面人、车免
3、受损伤），但转载平台允许有限度的损伤。图 1 双小车岸边集装箱起重机2转载平台的结构如图 2 所示，其中主梁作为其主要承载结构，受力大，频率高，且为脉动力，需考虑疲劳问题，如损坏更换并不方便和经济，因此设计时沿用弹性理论。面板作为转载平台的附属结构，要求有适度的使用寿命（不必与整机等寿命），允许产生一定的塑性变形，如发生损伤，可以得到及时修补或更换。尤其面板设计还涉及冲击动力学问题，因此沿用弹性理论设计不尽合理，需要探索新的设计方法。1. 能量法计算受冲薄板塑性应变能根据标书要求，一个 6kg 的集装箱锁销从 10m 高空落跌落至转载平台上的任何一处，均不能使平台破损。这里的“破损”指不允许锁
4、销冲破钢板，危及地面上的人、车。材料为 Q345， ， ， ，345sMPa50bPa205EGa2%b板中受垂直冲击载荷，板的破坏以同心圆的形式向外辐射，所以以圆板的形式来代替方板，不会产生大的误差，并且能够利用轴对称条件，使计算简便。由于是薄板，在厚度方向应力和应变不存在梯度，为平面应力问题。总应变能 为pE（1）()prVddV式中 、 分别为径向和环向应变增量， 和 为径向rd r和环向坐标， 表示薄板体积。设薄板的任一点没有面内的位移，仅有垂直方向的位移，即挠度 。又是轴对称变形，所以同一圆周上点的挠度都是w相同的（如图 3）。则有：210rdsdwr（2）图 2 转载平台结构示意图
5、图 3 板的变形图 4 弹塑性拉伸曲线3对于线性硬化材料， 和 之间有下面关系：sr（3）strE式中，如图 4 所示， 是塑性段的切线模量， 为材料发生破坏时达到的最大伸长率，t b是屈服应力。s板在弹性范围内变形非常小，因此可假设总应变能近似等于塑性应变能。塑性范围内的应力应变关系： （4）2()1trsrtsrE式中 ，将（4）改写为 （5）0 21trsrtsrE将（5）式代入（1）式得 （6）2tPsr rVVdd（ 1-）其中 ，上式可改写为2dVrt（7）200RRtPsrrEEdd（ 1-）2. 锁销跌落实验及挠度曲线拟合为了观察板受冲击的变形情况，确定挠度曲线，用 6kg 锁
6、销分别从 10m、15m 、20m 作自由落体，冲击四边简支的 2mm 板，由于实验装置的高度有限，20m 高度时钢板仍未被冲破。表格 1 实验数据（如图 5）高度（m）h测量点（mm）r（mmrw）10 13 -3115 13 -34锁销（6kg）（如图 6）20 13 -36图 5 试验挠曲线图4铅球（7kg）20 13 -46图 6 锁销示意图 设板刚好冲破时挠度与半径关系（如图 7）（8）0()rwe其中 为冲击中心的最大位移，mm； 为待定系数，mm -0 1由实验数据拟合（如图 8），获得挠度曲线（9）0.13()5.72rwre代入（2）式和（7）式， 可求得总应变能 ，根据能量
7、PE守恒原理，重力势能全部转化为总应变能，可得到板厚 mm1.0674t3. ANSYS/LS-DYNA 仿真模拟 4 本文采用三维 Lagrange 方法进行计算，计算模型使用三维实体 solid164 单元进行划分，钢板和锁销直接作用区域网格加密。锁销采用刚体模型，钢板采用双线性等向强化弹塑性材料。接触采用侵蚀接触算法建模（cm-g- 单位制）。s图 912 为 6kg 锁销在 20m 高度自由落体垂直冲击 区格， 钢板的仿真260m输出数据。图 7 受冲击钢板的位移变形图图 8 测量处挠度与冲击高度关系实验数据拟合图5图 9 钢板与锁销有限元模型 图 10 钢板中心点挠度随时间变化曲线图
8、 11 锁销速度的时间历程曲线 图 12 钢板应力云图4. 结果分析仿真模拟与实验数据及现象都比较吻合，证明仿真的结果是可信的，同时也验证了由实验数据拟合的挠度曲线，特别是中心最大挠度的计算是正确的。若按弹性设计准则许用应力法设计，达到满应力（弯曲应力）时的计算板厚为 8mm。试算钢板（2mm）：按照上面讨论的结果能够满足安全使用的要求，与弹性设计方法设计的结果相比，大大地减小了板厚。5. 结语计算、实验和仿真，都证明锁销平台使用厚度为 2mm 以上的面板是安全的，考虑到一些其他条件限制和起重机设计规范对板厚的要求，最终锁销平台面板厚度的设计值取为6mm。显然按塑性设计的极限状态法，6mm 的
9、面板已具有足够的安全储备。与弹性设计的许用应力法比较整个锁销平台的结构重量至少减轻 25，且满足一切使用要求。通过算例，本文试图说明，起重机结构设计可以有所区别，某些部件可以采用塑性设计极限状态法设计，且因其优势，必将得到广泛应用。6参考文献1. 李廉锟,结构力学(下),北京: 高等教育出版社,2004.2. 黄克智,板壳理论,北京:清华大学出版社 ,1987.3. 钱伟长,穿甲力学,北京:国防工业出版社 ,1984.4. 时党勇,李裕春,基于 ANSYS/LS-DYNA8.1 进行显式动力分析,北京:清华大学出版社,2005.5. 赵海鸥, LS-DYNA 动力分析指南,北京:兵器工业出版社
10、,2003.6. 米双山,张锡恩,陶贵明,钨球侵彻铝合金靶板的有限元分析,爆炸与冲击,2005(5):477-480.A Study on Using Plasticity Theory in the Design of the transit platforms panelTengyuanyuan Dongdashan MeixiaoShanghai maritime university Shanghai 200135Abstract：Taking the limit intensity as a starting point, a plasticity design theory is
11、introduced in the design of the transit platforms panel of double trolley quayside container crane. As to the impact dynamics issue，the study gives a theoretical derivation based on the energy law as well as a verification of the experiments of the lockpins falling , and uses simulations with Ansys/
12、Ls-dyna condition. Combining the above three aspects, the results prove to be correct. Given the limitations and requirements of the practical situation and the standards, a reasonable design is offered. Through full consideration, it provides the value of the experience for future reference design. Key words：transit platform；plasticity design；falling experiments；Ansys/Ls-dyna simulation作者简介: 滕媛媛（1983） ，女（汉族） ，辽宁省大连市人，助教，硕士，主要从事机械设计及理论研究，（电话）021-58855200-4560 （电子邮箱）。7基金项目: 国家科技支撑计划项目(2007BAF10B04): 7500 吨海上起重装备浮吊关键技术研究。
