岸边集装箱起重机碰撞的显式非线性动态分析和吸能结构研究

摘要

港口轨道起重机因强风作用发生的碰撞事故往往因自身所带大动能而造成起重机脱轨倾覆和灾难性损伤，给港口造成巨大的经济损失，这是横亘在港口整体缩减运营成本面前的一大工程难题。本文针对此工程实际问题利用ABAQUS的显式非线性动态分析功能，对起重机不同碰撞条件进行仿真建模分析，分析了起重机在强风作用下沿轨道滑行与相邻起重机或端部止挡装置在不同速度下碰撞后台车部位的变形形式、应力分布、位移等，确定了碰撞时台车与门框相连部位为危险位置，并通过设计合理缓冲吸能结构以及优化台车结构减少碰撞过程对危险部位造成的损伤，进而保证起重机在碰撞时不会发生脱轨倾覆等重大事故，为港口起重机防碰撞以及减小碰撞带来的损失提供了理论分析方法和技术支持。主要研究内容如下：
　　本文首先介绍了非线性有限元法的原理，分析了ABAQUS显式非线性动态分析用于模拟碰撞冲击和爆炸等瞬态事件的优越性；建立了起重机碰撞过程中大变形问题的数学模型，并根据不同碰撞条件结合动态非线性理论描述的基本方程确定了适合起重机碰撞问题的数学模型。
　　详细介绍了建立简化模型所采用的思路和简化原则，并依据简化原则建立了接近于实际情况的起重机三维模型；结合低碳钢单向拉伸实验数据对模型中部件进行材料属性的设置；参考已有文献中有限元网格划分原则对有限元模型进行网格划分；根据实际起重机运行情况设定接触属性；最后对模型进行详细受力分析计算确定发生碰撞时加载在模型上的初始速度场。本文中所有为建模所进行的试验、设置和计算均为了保证有限元分析过程尽可能模拟真实场景，保证整个碰撞模拟过程的准确性。
　　利用ABAQUS软件对建立的碰撞模型进行求解，得到了不同工况下碰撞结果的应力、位移云图和选定测点应力、位移曲线，比较了同一工况下不同碰撞速度对碰撞结果的影响，最后找出了台车与门框相连区域以及台车次级结构和上级结构连接处为碰撞中的危险截面，正是由于发生在这些危险截面材料的屈服失效甚至断裂是造成起重机碰撞损毁的重要原因。
　　最后介绍了碰撞吸能被动防护在减小港口起重机碰撞损失的重要性和必要性。介绍了汽车碰撞吸能领域的相关内容，并将岸桥类比于特殊“汽车”，用汽车碰撞吸能相关方法和经验对岸桥的碰撞吸能进行研究。根据相关理论设计用于岸桥碰撞的缓冲吸能结构，在与第四章中两种碰撞工况相同的碰撞条件下进行仿真模拟，确定了缓冲吸能结构在岸桥碰撞过程中所起到的积极作用。最后对应力波理论在碰撞吸能结构设计中的作用进行了探究。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2碰撞及起重机碰撞研究的国内外发展现状

1.3主要研究任务

第2章 显式非线性动态分析基本理论

2.1 有限元法的基本理论

2.2 ABAQUS简介

2.3 本章小结

第3章 碰撞模型的建立及其参数控制

3.1碰撞大变形问题的数学描述

3.2 岸桥碰撞问题的数学描述

3.3 岸桥有限元建模

3.4 本章小结

第4章 碰撞过程的仿真和显式非线性动态分析

4.1 概述

4.2 不同速度下两台岸桥碰撞仿真结果分析

4.3 岸桥与端部止挡装置碰撞仿真结果分析

4.4 总结

第5章 碰撞部位吸能结构研究

5.1 概述

5.2 起重机碰撞吸能研究

5.3 加装缓冲吸能装置后岸桥碰撞研究

5.4 应力波理论对碰撞吸能结构研究的影响

5.4 总结

第6章 总结

6.1 研究结论

6.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的科研成果和参与项目