摘要：岸桥设备（大型岸桥边集装箱式起重机）是港口运行的重要机械设备，其主要为钢材结构，这也表明设备的钢材用量会影响其成本的投入。因此，要注重对大型岸桥金属结构进行轻量化设计，通过建立岸桥有限元模型，并分析模型的静强度，针对分析结果对岸桥结构进行轻量化优化设计，能够得出最优的设计方案，同时针对最优设计方案的根据相关参数，来计算求得主梁的疲劳寿命也满足设计要求。
关键词：岸桥金属结构；轻量化技术；优化技术
引言
岸桥设备主要用于装卸集装箱，这种设备位于船舶与码头之间，而岸桥设备的装卸能力，会直接影响到整个码头的装卸作业效率。岸桥设备的主体结构为金属材质，而这也增加了成本建设的投入，因此，开展轻量化设计岸桥，不仅能够降低建设成本的投入，还能够实现经济价值的最大化。但是，由于岸桥具有繁杂的结构尺寸，导致其实际受力情况复杂，而这也使得在进行金属结构优化设计时，会从岸桥的局部结构为设计出发点。
一、建立岸桥的有限元模型
岸桥的金属结构由多个部分组成，其组成结构复杂，如前后大梁、门架结构、前后拉杆等部分组成，这也使得在建立岸桥有限元模型时，需要对岸桥结构的组成部分，进行必要性的简化分析，以及合理性的假设构建。
①岸桥结构主要是钢材材质，而这也说明了门架结构的材质，并且门架结构截面的尺寸会小于其长度尺寸，这时可以使用梁单元来建立岸桥结构模型；
②大型岸桥边集装箱式起重机在进行正常作业时，其组成部分的大梁会处于水平状态，能够将结构中的前后拉杆看作二力杆，这时可以使用只受拉压的杆来建立岸桥结构模型；
③大型岸桥边集装箱式起重机的撑杆系统是由管状结构组成，这时可以使用管单元来建立岸桥结构模型；
④操作机房是由支腿固定在后面的大梁上，其实际的建设结构对岸桥的整体结构不会产生影响，这时可以将其简化为质量点；
⑤大型岸桥边集装箱式起重机的小车运行机构主要是依靠车轮，将产生的作用力传送到大梁上，这时可以将其简化看成力的形式；
⑥大车运行机构可以按照刚度等效性原则，将其作用力简化为大型岸桥边集装箱式起重机的等效梁。
二、对岸桥结构进行静强度分析
1、对岸桥结构施加静载荷
针对岸桥结构的静载荷组合进行强度分析时，主要根据欧洲对起重机的相关设计规范来进行分析，假设各种动载荷处于对岸桥结构的不利位置，可以根据F=2*TL*a来进行计算分析，并且在分析的过程中，也要考虑到提高实际工作荷重时所带来的冲击载荷。
2、岸桥的载荷工况和变形观察点
岸桥结构受到小车运行机构载荷的影响会出现变形现象，并且小车运行机构的载荷也会影响动态应力的分布变化。岸桥设备在实际运行过程中，小车运行机构处于循环作业模式，而这也使岸桥结构发生变形，以及动态应力呈现非稳态分布。因此，为了准确计算岸桥结构的承受强度，可以使用结构振动瞬态响应分析法来进行计算，首先，由于小车运行机构是循环作业，在计算时可以将这个过程进行划分；然后，在结合划分过程和计算方法，来计算岸桥结构的振动响应力、动态应力，这时候要注意这种计算方式不适合工作量大型岸桥结构；最后，要结合实际情况进行综合考虑，如小车运行机构的运动速度和振动速度较小，可以使用近似算法进行计算和分析。
三、优化岸桥结构的设计
为了保证岸桥金属结构的静态特性和动态特性，相关部门要注重对岸桥结构的设计进行优化，通过优化岸桥结构的设计方法，来避免出现设计材料的冗余现象，从而提高设计材料的使用效率，继而达到岸桥结构减重的目的。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
1、优化方法的选择
针对岸桥结构的约束问题可以使用零阶方法或者一阶方法来进行优化计算，这两种优化计算方法都是在原有的目标函数上添加罚函数，逐步转变为无约束优化。与此同时，相比较于零阶方法，一阶方法的优化速度较慢，但是其结果的准确性更高，更容易得到局部最小值，如果序列的起点与局部最小值接近，这时候就会选择序列的最小值。
2、岸桥结构优化设计模型
在岸桥结构的优化过程中，为了能够准确的选择需要进行优化的零部件，以及精确零部件尺寸的变化范围，要细致选择相应的优化参数，以及适度选择尺寸的变化范围，从而能够避免岸桥结构截面尺寸的影响，有效的减少计算时间。在完成优化计算之后，要综合考虑工艺条件、成本投入等，来综合分析计算结果，并且及时对计算结果进行调整，从而能够保证结构满足实际的生产需求。
3、优化岸桥结构的设计结果
（1）优化尺寸参数
大型岸桥边集装箱式起重机的结构主要由梁、管、杆等构成，而结构中前后大梁是主要的承载部件，如果它出现形状改变问题，也会引起与它相关联的零部件结构发生变化，甚至彼此之间的连接方式也会出现变化。因此，可以在保持岸桥结构外形尺寸不发生变化的基础上，只对岸桥结构的金属厚度进行优化。
（2）优化约束条件
对岸桥结构部件的尺寸进行优化，能够有效的减轻岸桥结构的重量，因此，可以选择岸桥结构的总体积作为目标函数、金属部件的尺寸作为设计变量、金属部件的最大应力和变形位移作为状态变量。与此同时，在完成岸桥结构部件尺寸的优化之后，还需要对岸桥的整体模态频率进行检查。
（3）优化结果分析
小车运行机构的运动范围，是从最大的后伸距到最大的前伸距之间的范围，如果对每个运动位置都进行优化，在实际的有限元计算中无法完成。因此，可以将施加载荷的位置作为优化点，在完成有限元计算后，要结合状态变量来选择约束的交集，再对每个位置进行优化计算，从而在优化计算结果中，选择最大值作为优化尺寸，这个尺寸才能够满足优化位置的要求。与此同时，还要将优化结构与钢板厂家的材料规格、生产工艺进行对比，从而经过调整来选择出最符合要求的尺寸。
四、主梁疲劳寿命计算
所谓疲劳破坏是指岸桥的金属结构，受到低于极限强度以及低于屈服极限的应力影响，会突然间发生结构断裂现象，不仅会造成财产损失，还会出现人员伤亡。与此同时，起重机在实际的工作运行过程中，其前后大梁是主要的承重位置，而这也表明了对起重机前后大梁进行疲劳破坏性强度计算的重要性，可以根据前后大梁的尺寸和特点，以及《起重机设计手册》和相关公式，来进行相关参数的计算。
机械零部件出现疲劳破坏现象的原因是表面应力的集中区域，发生了循环塑性应变现象，并且施加载荷的时间历程具有复杂性、随机性特点。因此，要注重对机械零部件进行疲劳寿命的合理化预测，积极开展循环计数，即仔细统计施加载荷的时间历程，以及局部应力和应变历程，从而能够准确的计算零部件的损伤，为完成使用寿命的估算提供数据支撑。
结构内部出现疲劳破坏现象的原因是材料内部的疲劳损伤长期积累而形成的，其中Miner理论指出了材料内部的疲劳损伤长期积累的规律，以及有关工程结构内部疲劳破坏的判据，在随机载荷作用的情况下，能够有效的预测工程结构的疲劳使用寿命。
结语
综上所述，轻量化优化技术是对未来岸桥金属结构优化设计的主要技术要求，通过分析岸桥结构的强度以及控制岸桥结构的危险点，来对岸桥结构进行轻量化优化设计，能够满足相关的设计标准和设计要求，在降低能耗的基础上，来提高设备的工作效率。
参考文献：
[1]梁志峰.岸边集装箱起重机金属结构设计探索[J].科技视界,2017(10).
[2]吴凌霄,马卫民.集装箱码头岸桥调度的时间--成本均衡模型与算法[J].工业工程与管理,2016(06).
[3]张帅,于慧艳,曾鹏,潘嘉昊,陶燕.岸桥中组合撑的节点板的参数化设计研究[J].制造业自动化,2017(03).
[4]李刚,刘峻.3E-PLUS岸桥辅助工装整机运输技术研究[J].中国水运,2017(08).
论文作者:陈军
论文发表刊物:《防护工程》2018年第35期
论文发表时间:2019/4/4
标签：结构论文; 载荷论文; 起重机论文; 对岸论文; 尺寸论文; 大梁论文; 疲劳论文; 《防护工程》2018年第35期论文;