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2010第二届工业机电一体化与自动化国际会议

基于温度场条件的港口起重机的机械应力分析

闵丰，肖汉滨，张正艳，卢石青

武汉理工大学物流工程学院

中国，武汉

fenming0530@yahoo.cn; xhb@whut.edu.cn; zzy0309@yahoo.com.cn; whuUsq@163.com

摘要——本文系统地研究了大型港口起重机的温度场和热应力的计算理论，利用有限元软件ANSYS对温度场和温度应力下的大型港口起重机进行了模拟和分析。 对分析结果进行详细研究，确定温度应力对港口起重机结构的影响。分析结果表明，温度影响对港口起重机的结构强度具有不可忽视的影响，这可能导致局部结构开裂的主要因素。

关键词——温度应力；阳光辐射；港口起重机；热分析；温度场。

1.引言

在野外的港口起重机长期受季节温度，周期变化的阳光强度等因素引起的温度应力的影响，结构各部位的温度应力存在一定的差异。当温度应力受到结构的内部约束和外部约束之间的相互作用时，结构将被破坏。强度高的位置很多港口起重机在中国港口发现严重损坏，在很大程度上，这些破坏是温度应力的结果。因此，端口起重机的结构设计需要考虑温度的影响，作为其结构设计和强度评估的基础。

2.港口起重机的温度负荷

对于港口起重机，温度负荷的产量可以分为三种类型：第一，日照温度负荷，第二，突然降温负荷，第三，季节性温度负荷[1]。日照温度变化主要是由太阳辐射强度，其次是温度变化和风速。温度降低的变化是由强冷空气和由于阳光引起的温度降低引起的，通常只考虑温度变化和风速，但忽略辐射的影响。季节温度负荷是指环境温度场随季节变化而周期性发生。

三种类型的温度负载特性如下表所示：

表：温度负载特性的总结

特性 温度负载	主要影响因素	时间	作用范围	分配	对结构的影响	复杂程度
太阳温度负荷	太阳辐射	短时且不连续	部分	对称	更大的局部应力	最复杂
突然降温负荷	强冷空气	短时且不连续	全球性	相对对称	更大的应力	比较复杂
季节温度负荷	缓慢变化	长时且缓慢	全球性	对称	大排量	简单

3.端口起重热交换和热物理参数的计算

A.三种端口起重机温度场的传热模式

港口起重机在自然条件下通过吸收太阳总辐射热，与空气的热对流和结构的热传导进行热变化，因此港口起重机的温度场是瞬时变化的。其边界条件主要有以下三种换热方式[2]：

• 结构的热传导；
• 结构与周围的热传导；
• 港口起重机结构吸收太阳辐射能量和边界热辐射。

港口起重机的外边界通过对流和辐射进行主热交换，周围空气和港口起重机的外边界通过对流连续传递热量。太阳辐射对港口起重机的热应力有较大的影响，因此本文主要研究港口起重机的太阳辐射热应力对其结构的强度有影响。在自然环境下放置的港口起重机与周围环境进行热交换器，如图1所示。

图1.热交换口起重机示意图

B.港口起重机温度场的主要因素

1）太阳直接辐射。地球上的直接太阳辐射将产生辐射能量，接收太阳的直接辐射能量的地球上的水平表面可以由公式确定：

式中：

J0是太阳常数; （这里是1323 w / m2通过公式计算）

h为太阳高度角;

p2是大气透明度系数，取0.65;

r是地球和太阳的变化值，取1.03;

m是光路径，m = 1sinh。

2）太阳散射。它主要与太阳高度角，天气浊度水平，以及与墙壁的倾斜角f3结构相关。

水平面散射能：

3）地面反射。对于与地面倾斜的接收器表面，反射辐射能量可以计算为：[3]

在公式中：r uk是地面反射系数，这里取0.2。

C.计算参数qf温度场

1）边界面的热交换系数

港口起重机的热交换器包括热对流，长波热辐射和太阳辐射，因此合理地确定热交换系数是一个先决条件正确分析温度场。 计算中对流和热传导的影响是一个总值，并使用对流传热系数hk来表示。辐射传热系数将相当于本文中的热对流，辐射传热系数可以由hs表示，并且其需要5.0W / m 2 x℃。

一般热交换系数：h = hs hk

对流热交换系数可以通过以下公式计算：港口起重机顶板：

底板的外表面：

腹板外表面：

盒子的内表面：

2）周围大气温度的计算

港口起重机的外部接收太阳辐射，并且由于发生对流，辐射热传递和太阳辐射热与周围空气的吸收而继续加热。空气温度的日变化假定为本文中的正弦函数Ta（t）：[4]

在公式中：

• 是起始温度值，起始温度是文本中6:00处的27℃；
• 是周围大气温度的最大值一般发生在14：00，本文需要37℃；
• 是开始时间; A是常数。

IV．有限元计算和端口起重机温度分析。 有限元计算和端口起重机温度分析

A.有限元分析qf温度场

分析了港口的L型30t单梁龙门起重机，起重载荷34t，工作冲击系数为1.17; 整机起重量78.37t，工作冲击系数为1.18，起重重量为10.27t，工作冲击系数为1.17。跨度为30m，桥基距离为2.7m。

1. 创建港口起重机型号和网格

风速 (1 m/s)	顶板	网板外表面	底板外表面	箱子里面表面
	13.45	12.45	11	8.5

在本文中，使用ANSYS11.0瞬态热分析来计算港口起重机的温度场的变化和分布。选择壳单元热壳131，根据端口起重机的实际尺寸，创建模型和分割网格。hellip;起重机材料为Q235钢，结合实际材料的热力学参数如下：弹性模量E = 2.06times;Pa;线性膨胀系数a c = 1.2times;10 5℃;泊松比v = 0.3；热导率系数It = 49.8w / m℃;密度120材料C p = 7860kg / m 3;比热c = 502J / kgOC。温度场计算所需的参数如下：材料辐射系数SB1 = 0.88；大气辐射系数Sa = 0.82；组分ABK的吸收系数= 0.65。结构模型网格划分如下（图2）：

图2.港口起重机啮合图

1. 施加温度载荷并进行热力学分析

本文对瞬态温度场进行了分析，考虑到港口起重机最不利的温度场，温度荷载对其结构强度有影响，因此选择8月中旬的一天分析温度应力。负荷在腹板，背板，顶板和箱板，港口起重机通过这三种形式的对流，吸收太阳辐射能量和热辐射与外界进行热交换，可以使用综合对流传热系数， 集成温度施加在边界节点上。

在ANSYS中很容易施加对流载荷，外部温度和对流传热系数可以分配给边界上的节点。 本文分析了仅限于太阳辐射阶段的温度场，因此热辐射传热等效于对流传热。当应用对流负荷时，综合传热系数将被分配给热对流节点。根据公式2.3 ，计算综合对流传热系数，如表2所示。

表II：综合对流热传递系数的边界

虽然太阳辐射能量可以通过磁通密度，但是当在ANSYS中在相同边界处施加对流负载和热通量密度时，仅计算最终施加的表面10ad。由于太阳辐射的边界和太阳辐射的边界之间的对流的热交换， 空气，所以由太阳辐射引起的热通量密度转换为温度，积分温度计算如下：

顶板的集成温度：

腹板的集成温度：

网板阴影部分的积分温度：

底法兰盘和下法兰盘的集成温度：

1. 施加结构约束，其他荷载，进行结构分析

首先，将热分析单元热转换为等效的结构单元结构she1163，并对L型龙门起重机的四个轴承施加约束：驱动轮两侧的两个轮仅释放在小车侧面的旋转约束；两个轮 在推车侧面的从动轮释放旋转约束侧和在推车侧面的平移约束。假设提升推车位于主梁的中间，将推车重量和起重机提升载荷施加在四个节点上，在主梁上。对L型龙门起重机施加重力加速度，从ANSYS热分析读取起重机温度场数据到结构分析，以及解决模型。

1. 有限元分析结果0. /端口起重机温度场

每天24小时的温度峰值出现在中国中午12:00至14:00，然后开始下降，一般认为一天中最高的温度是最不利的温度场，约为14:00。根据 2009年8月22日天气数据，考虑直接太阳辐射，漫反射太阳辐射和地面反射，对L型龙门起重机进行24小时的瞬态分析，得到L型龙门起重机的温度梯度分布在14：00。如图3所示。

图3.龙门起重机的温度梯度分布

热分析结果将存储在file.rth中，然后将温度梯度载荷加载到结构计算模型中，并执行下一步的分析。通过8月22日14时的热应力分析获得整体L型龙门起重机的变形图，如图4所示。

图4.整体L型龙门起重机的变形图

通过热应力分析获得L型门式起重机在所有时刻的应力计算结果，与8月22日14时在温度场施加前后的L型门式起重机应力分布图相比较。 图如图5所示，图6：

图5.整体L型龙门起重机的应力分布图

图6.在温度场条件下整体L型龙门起重机的应力分布图

使用ANSYS热应力分析，通过分析托塔应力分布图确定温度场对L型龙门起重机应力的影响。分析表明，温度效应对港口起重机在恶劣的工作环境中的局部强度破坏造成严重威胁。

热应力的比例在结构的总强度中为约10％，温度效应可能引起端口起重机的结构变形和局部结构开裂。

五，结论

fmite元法可以得到温度应力和一般应力结构的更精确的结果。根据实际操作端口起重机的自然环境，选择最接近的实际情况的温度场和热应力。使用有限元软件ANSYS模拟和分析大型港口起重机，对分析结果进行详细研究，确定温度应力对港口起重机结构的影响。分析结果表明，港口起重机温度应力的主要影响因素是太阳辐射能量和结构的不同表面温度。对于恶劣环境的港口，温度影响对港口起重机的结构强度具有不可忽视的影响，可能导致局部结构开裂的主要因素。.

参考文献：

[1]王宏运，朱乃荣，姜伟。综合温度的研究温度应力计算[J]。东北水利水电.2006：（4）4-5。

[2]李敏，张松涛。使用ANSYS分析混凝土结构的温度场和热应力[J]。中国水运。2006：（5）54-56。

[3]李全林。研究混凝土箱梁的温度场和温度应力在阳光下：（Shuo 10度论文）。长沙：湖南大学，2004,5。

[4]韩大勇。混凝土弯梁梁在阳光下的研究温度效应：（硕士学位论文）。北京：北京交通大学，2009,9。

基于灰GM（l，l）模型的港口起重机金属结构的寿命预测

陈兆方

福州大学管理学院，福建省专用设备检验中心

福州，中国

thyme-czf@163.com

摘要：详细研究了港口起重机的缺陷类别，基于金属结构故障检测，了解港口起重机的实际状况。首先介绍基于巴黎模型的港口起重机寿命预测。但是，考虑到断裂力学的发展，这种传统的残余寿命预测并不那么准确。然后，基于灰色系统理论的预测模型被引入用于港口起重机的研究，并且建立裂纹扩展的灰色模型GM（l，l）。接下来，构建港口起重机的生命预测的通用预测公式。最后，证实了该预测与现场数据具有良好的一致性，并且其相对误差小于6％，因此提出的模型具有良好的精度和预测信用度。

关键词：港口起重机，灰色模型，预测
一，引言

随着经济全球化的快速发展，中国港口发展迅速。港口起重机是货物装卸工作的主要设备之一，具有短，重复和循环特征，在恶劣的工作环境中。如果你正在阅读一个纸张版本的港口起重机会带来一些不可避免的缺陷，如裂缝生锈和变形。如果我们没有采取相应的维修措施处理港口起重机的缺陷，延长裂缝，达到一定程度后，不仅会破坏港口起重机

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