预防航道挖泥的有限元建模和分析外文翻译.docx
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预防航道挖泥的有限元建模和分析外文翻译
预防航道挖泥的有限元建模和分析
摘要：
本文给出了一个概念结构的有限元建模和分析起重机的建议，这是一个常见的部分航道挖泥船设施。
这些挖泥设施通常包含两个起重机：
像泵船的双体船和在船头的辅助起重机。
这里主要讨论各种有限元模型对起重机结构的优势和弱势，避免起重机在工作时频繁出现故障。
基本目标是实际数值模型和简单的不充分的模型预测真正的结构形态起重机相比的复杂的利益。
在这个意义上，我们在一个高效的有限元建模阶段设计可能类型的结构模板。
爱思唯尔有限公司版权所有，2012
关键词：
航道挖泥、起重机、适用性失败、有限元建模、链接菲
1.简介
在水面分类的航道挖泥实施的材料，大部分是桶和桶挖泥不断链支持起重机的结构。
如图1。
挖掘是由在陷入物质的水床上移动桶来实现。
开挖连续性取决于水桶的大小和距离，以及链的速度和长度。
大型横向变形的起重机最常见的故障是链自由运动时忽然停止，这是由于起重机臂的设计不足，通常出现这种类型失败的原因是起重机的数值模型不适当。
本文认为以有限元模型为结构的起重机作为为挖泥船工作工具和弓起重机作为起重机操纵设备的服务和维修情况做了适当的分析。
文件处理有限元分析这样的类似类型的结构相对少见。
他们的主要特点是应用复杂的模型，但只分析关键结构部件。
另一组论文推荐在现实里不能实现的简单模型。
这种情况其他专家都研究有替代的方案，即先进建模的可能性的旋臂结构作为一个整体。
在开采条件下，这种结构类型的起重机在挖泥时应该满足一些相反的要求及其设计应该有一个积极的意义，一个合理的方案。
起重机的承载能力是其主要的和强制的性能。
应力条件应该在所有结构元素规定的范围内，排除故障状态。
旋臂结构的稳定性是另一个所需要的结构完整性。
对于这种薄壁结构，全球屈曲和局部稳定性的外观损失都是有可能的。
图片1：
航道挖泥船的辅助弓起重机和主臂起重机
可服务性是性能提供条件，真正的开发机。
它通常与刚度，即国家的位移和变形的结构，提供不间断的工作可能失败的后果，只有所谓的“不可抗力”情况
上述条件的需求因为流动性在开发和维护，以及能源效率的挖泥船相对小数量的悬臂结构。
此外，它是必要的臂结构制造与最小数量的钢和是一个简单的设计，至于最小化的生产价格。
根据前面提到的事实，很明显，终极阶段设计是选择一个悬臂结构系统（即拓扑结构元素）和精化的结构细节。
下一个重要阶段是选择可靠的数值模型，能模拟实际结构的行为在各种行为和预测可能的故障状态，这是本文的主题。
纸是面向分析的优点和问题在应用程序的各种有限元模型对这种类型的结构。
主要的目标是强调在应用程序的好处足够复杂的和合理的数值模型对实际结构的悬臂结构的行为。
这项研究成果可以提高效率的贡献在设计过程有限元建模阶段的这种结构。
2.方法提出的背景
在该地区应用结构分析，目标通常是配方的“最佳”模型[8]。
严格的意义上，“最优”项目是一个结果，是一个“优化”的过程。
在实际工程意义上寻找“最佳合理”的替代品可以标记为“优化”。
这样的“最佳”模型可以提供最好的质量的近似“要求和足够的”真正的“共同设计实践”。
模型的选择取决于结构拓扑终于，配置的动作和假定的结构响应。
航道斗式挖泥船臂是一个空间结构与显著的长度相比其他维度。
它是一种薄壁结构变壁厚，横向加劲肋形式，提高了承载力和刚度的结构。
初步分析，1d即梁有限元模型是令人满意的，但只能测定元素的大概尺寸。
以下步骤是一个复杂的分析模型的应用与表面2dFEs[9]，建模的重要细节，正确的边界和接口条件和操作。
进行非线性分析（几何非线性而不是材料非线性）以及自由振动的分析可能是非常有用的对于获得一个更真实的结构响应。
最后，如果有应力集中在当地的区域（“热点区”），当外部行动是分布在一个相对小的表面，或如果强调正交到板扩不容忽视，应用程序的模型与3dFEs是必不可少的条件。
因为它是所提到的，这些模型是非常复杂的，太贵了，分析全球结构行为的臂的结构和适合当地的研究效果。
行为的臂的薄壁结构，可以将其近似相当好，一个2d模型，在模型中强调在正交方向表面上是被忽视的[10]。
此外，它是合理的假设，没有剪切板内扩。
这些情况表明可能使用模型基于基尔霍夫弯曲理论的薄板。
异常，对于板块相对较大的厚度有必要应用Reissner-Mindlin模型对厚板弯曲。
为了避免出现的所谓的“剪锁”现象，厚板模型，考虑剪切影响（即实际剪切刚度）可以提供非常满意的结果。
一个简单的数值试验将说明模型的优势与2d有限元与1d有限元模型。
这个测试的结果将作为主要的论点在最后的有限元模型的选择。
这个测试不是一个代表典型行为的一维模型，但重要的是作为一个警告困难和风险的简单模型的使用。
这和相似，“基准测试”应该成为一个至关重要的部分在最后的有限元模型的选择方法。
图片2：
1d和2d模型:
位移、主应力和固有频率最低
执行分析的均匀分布载荷（重量链与桶）。
图2显示了主应力和垂直位移在特征点以及最低固有频率为1d和2d（上）（下）模型。
1维模型形成从梁有限元（2400/1000毫米箱截面，壁厚t=20mm）和在拓扑意义上它是完全相同的2d模型与矩形壳
很明显，主要强调（S1和S2）在更精确的二维模型的1.75--11.75倍在简单的一维模型。
国家与垂直位移（Dz）是相似的。
这里的因素从1.54到1.80。
此外，最低固有频率（f1）在一个1维模型几乎是1.8倍低于2d模型。
有必要注意，两个模型都有类似的（外侧弯）的形状自然频率最低。
这些差异在响应同样的行动表示应用程序的必要性的更复杂的模型与二维壳有限元分析的臂。
这个测试显示得很清楚，显然类似的模型可以获得非常多样化的数据结，有时也非常错误的印象对承载力、可服务性和风险的失败，因此肯定确认需求申请更复杂的模型。
提出的计算时间为2d模型是比较短的，因此它是负担得起的模型在工程意义。
制作2dmodel需要更多时间和设计师的能力，但好处是几个。
从这个意义上说，所有进一步的考虑将应用数值模型与二维壳有限元。
3.臂结构的有限元模型
因为新的生产要求起重机将扩展从最初的长度（35.5米）的新长度L=49.0m，通过增加新的段标在图3。
它是重要的去强调的问题在早期的较小的可服务性失败挖泥船，加固前重新设计和新长度重建和确认这些失败使用描述二维壳有限元模型与一维梁有限元模型。
这些失败是由于不正确的初始设计和使用不足的模型在初始设计数值分析。
臂长度的增加有以下后果:
增加轴向、弯曲和扭转弹性和惯性增加，即固有频率降低可能是可能的起源更频繁的使用可靠性的失败。
在这个意义上，足够的计划进行的结构补强。
在建模、有限元软件AxisVM11.2c已经使用。
AxisVM使线性和非线性、静态和动态分析的结构行为对于不同类型的行动[11]。
对于几何建模的悬臂结构，非自动的方法为有限元网格被选中。
这个过程有以下步骤:
——设计加强筋（只有一个对称面）的不同类型和尺寸、图4，
——在适当的位置放置加强剂，即形成结构骨架和连接板与盖板（对称侧），图5，
——详细说明支持细节——例如，带的轴周围旋转臂在垂直的平面，图6，
——添加另一个对称侧，图7。
这样的方法会导致模型与“接近最小的“铁网格大小（重要的计算效率）和“几乎总是”矩形FEs，没有重要的形状畸变，这是最有利的解决方案在计算数值误差最小化。
图片3：
重建悬臂结构的附加部分
图片4：
半边臂架加强剂
4.建模元素，边界条件和动作
模型设计的概念在前一节中描述已被选为主要目的的获得一个健壮的和高效的模型在数值意义:
自由度（自由度）号码是140838和6525节点模型和7188壳FEs。
钢结构S235（23.5kN/平方厘米，36.0kN/cm2作为屈服极限和失败限制）是用于所有结构元素[12]。
合理的简单性和计算效率是重要的因为他们可以使以下:
——简单和快速模式改变在设计过程中，
——各种动作建模（载荷、温度变化、支持位移、制造缺陷，偶然的行为等），
——各种类型的分析（线性分析、几何/材料非线性分析、屈曲分析、自由振动分析，时程分析等）。
图片5：
盖板段框架之间加强剂（一侧起重机）
图片6：
详细的铰链支持起重机结构
图片7：
完整的有限元模型臂结构
没有任何伟大的困境与结构元素近似。
矩形壳FEs（9节点的杂种优势类型）和三角形有限元与7个节点，基于Reissner-Mindlin理论，应用。
每个节点在这个铁元素有所有六自由度——三个译本和三个旋转。
需要强调的是，转动自由度平面上的铁（所谓的“钻”景深）介绍隐式，这是一个令人满意的治疗。
大小、形状分发（和因此是数字），选择FEs以这样一种方式以避免不必要的情况:
在结构上和数值应力集中（除非它是必需品由于形状的行动）和计算错误，生成由于存在的“扭曲”形状的铁。
下一步需求建模支持区域的结构系统，地方与怪癖，突然刚度变化以及地区结构元素被连接在一个特定的方式，即定义边界和接口条件。
观察到的悬臂结构，支持条件简单模型。
轴（图8）周围的臂可以自由旋转的轴承，是由基座支撑在甲板结构的航道设施。
有必要模型几乎完全免费（或小摩擦）臂旋转在轴，没有任何其他的自由度。
这可以通过应用所谓的关系特别铁（详细信息请参阅[13-15]）。
这些是特殊目的1d和两个节点以及所有FEs六自由度在每个节点。
链接FEs用于建模和关节的连接与特定的特征。
通常，连接的标准是直接在常见FEs-节点。
如果连接在两个相邻的铁是没有一个共同的节点，该链接使用铁。
通过改变刚度和位置参数（所谓的“接口”分），一个人可以模型一组不同的连接:
完全刚性，小或实质性的摩擦和完全免费。
链接在两种情况下应用FEs在这里:
对于建模的轴臂连接和建模大量的偏心连接关节臂之间的盖板。
这个轴臂连接实际上是一个圆柱铰只允许在一个轴旋转。
在图8（）是一个型号的铰链的分配环节FEs。
因为它可以观察到，链接加入的节点FEs径向轴的光束菲和相邻的节点壳FEs的臂铰链。
建模的自由旋转大约全球y轴是通过设定的零值相应的转动刚度参数的定义链接菲。
另一种情况是在连接偏心的薄壁盖或组合，呈现在图8（下降）。
相反情况下的自由转动连接，所有六个刚度参数的链接在这里有一个非零FEs足够大的值，模拟刚性焊接连接没有可能性的相对位移和旋转在任何方向。
在某些情况下这是重要的，特别是在大的情况下膜部队。
臂配置对于各种状态的行为是:
修理、运输和三个疏浚位置。
一些部队的计算基于权力的主要引擎（450千瓦）和失去在传输和运输疏浚材料。
行为是以下:
（a）起重机自重（G=76545.8公斤），
（b）空桶重量（qE=9.4kN/m），
（c）满桶重量（qC=15.8kN/m），
（d）额轮重量（GBW=50kN），
（e）疏浚力（FD=273.5kN），
（f）链斗拉力（流化床燃烧器=560.7kN，大约。
25桶/分钟），
（g）额负载的挤压（固定资产=150kN），
（h）横向载荷的挤压（FLE=77kN）和
（i）等待部分链重量（GPC=220kN）。
图片8：
链接的建模FEs铰链支承（）和偏心连接（下降）
八个配置已观察到:
——悬臂在12个位置相对于水平线——修复位置和交通位置，
——悬臂在18位置-状态“一个”、“B”和“C”和
——悬臂在45位置-状态”“、“B”和“C”。
有效的配置如下:
——修复配置:
（一）+（b）-臂是由电缆弓起重机，
——运输配置:
（一）+
（二）+（c）-悬臂支撑的水道的床，
图片9：
有限元模型在弓起重机结构
表1最大位移在（毫米）和跨度/位移比的起重机
_________________________________________________________________________________________
配置的起重机X轴位移Y轴位移Z轴位移
____________________________________________________________________________
18B44.62_L/109871.6648.74
18C32.14112.1136.08
45C12.49112.53_L/39152.32_L/937
图片10：
y位移-配置“45度”对起重机
-状态“A”:
（一）+（三）+（d）+（e）+（f）+（g）+（h）-臂是由电缆弓起重机，
-状态“B”:
（一）+（三）+（d）+（e）+（f）+（g）+（h）-悬臂支撑的航道床和
-状态“C”:
（一）+（三）+（d）+（e）+（f）+（g）+（h）+（我）-臂是由电缆弓起重机。
之前的考虑是用于有限元建模的弓起重机以及。
有限元模型，这种结构有1114个节点，1367壳有限元，自由度=24780，钢S235，如图9：
在弓起重机以下荷载组合都被使用:
弓起重机自重，
负载的剥削疏浚状态（工作状态”18c”），和
负载的修复条件（12修理）。
分析了荷载组合这两个配置:
弓起重机修理过程中是正面导向（C1），
弓起重机修理过程中是面向外侧（C2）。
自重是自动生成的，而其他载荷应用于均匀分布，以避免应力集中而不是结果的真实状态。
图片11：
主应力分布在“18b”式起重机
图片12：
主要强调溢出在“18b”式起重机
执行以下类型的分析：
线性弹性静态分析、非线性弹性静态分析（即几何非线性分析）、自由振动分析和线性屈曲分析。
几何非线性分析进行评估的真正的风险因为失败的适用性，因为大量的水平位移限制本征函数链与水桶。
材料非线性分析，不执行，因为数据不足对安装设备（额轮、发动机装置等）。
也就是说，这些物品有实质性的刚度影响整个结构体系的刚度，因此，应力分布。
自由振动进行分析，因为比较操作频率和自由振动频率和比率的确定静态和动态响应（所谓的“动态因素”）。
屈曲分析（基于“大位移、大变形”理论）进行，因为可能出现局部失稳的一些结构要素。
5.结果与讨论
以下事实可以强调根据综合分析计算结果：
—前五个自然频率的悬臂结构在间隔从0.87赫兹到6.87赫兹（空水桶状态），从0.78赫兹到6.39赫兹（满桶状态）。
因为开发的情况下，只有行动造成运输链与桶应视为动态。
率的传输（25桶/min）可以接受的频率与时间有关的动作0.4赫兹，它是足够远的从自然频率和形状相对应方向的运动链。
在这个意义上，可能出现某种谐振问题失败是微不足道的。
图片13：
主要强调溢出在“18b”式起重机
图片14：
主应力分布在“18c“起重机
—屈曲系数为951.8，对最不利荷载的额挤压（固定资产=150kN），表明损失失败安全系数的稳定性非常高。
—几何非线性分析给了，从工程师的方面，相似的结果作为线性弹性分析，因为配置的动作和非可变形性的臂的结构。
—横向位移和主应力是重要的可服务性和承载力臂和这些结果将广泛介绍。
比较分析的结果可以确认，根据标准的最大位移和主应力值，最不利的配置是：
图片15：
主要强调溢出在“18c“起重机
图片16：
主要强调溢出在“18c“起重机
—“18B”——臂是在18-状态“B”和
—“45度”——臂在45-状态“C”。
这些配置的特征值（“18c”，因为比较原因）介绍如下。
表1显示了最大位移值和跨度/位移比，为起重机的坐标系统。
图片10显示了图的y轴位移为“45度”配置。
足够小的价值位移有重要性的正确功能链传递水桶在挖掘活动的挖泥船。
在这种情况下位移的积分=112.53毫米391倍低于起重机跨度。
根据实际经验，跨度/位移比大于350是足够大的值，以避免国家失败的可服务性的这种类型的挖泥船。
图片11-1616现在主应力分布和溢出的容许应力（ralw=16.0kN/cm2）配置“18b”和“18c”。
需要强调的是，压力溢流在臂支持航道床区（配置“B”）主要是简化的结果数值模型在本段的悬臂结构。
也就是说，它是合理的假设设备不引入到模型（轮、发动机等）将大大有助于悬臂结构刚度。
此外，结构性措施（建模的结构细节和加劲）是用来减少压力在这些区域的允许范围之内。
图片17和18说明应力在两个配置的弓起重机。
最不利的配置是“C2”。
最大主应力都没有=15.37kN/cm2。
最大应力相对较小，因此可以假定应力在真正的支持条件将是更小的，当然在允许的极限，因为结构细节精化。
6.结论
从上面提到的观察，很明显，臂的结构分析，是一个非常复杂的任务，需要仔细考虑，不仅结构的元素，但也支持连接和连接的结构元素。
它一直强调，简单的一维模型有缺点，取消其在选择最终臂模型。
由于结构的复杂性（横向加强筋，圆柱铰、连接与偏心等）唯一的建议是用
在连接建模，应该特别注意给链接，使模拟FEs几乎所有接口条件。
模型与这种级别的复杂性和精度允许一个详细的知识到悬臂结构真实的行为在不同的行动和正确估计故障的可能性。
另一方面，该模型和建模算法也可以被认为是合理的，因为它们适应了环境的日常设计实践。
在这样一种方式，它建立的基地为廉价、可靠的、健壮的、经济合理的设计对于这些类型的结构。
参考文献
[1]VlasblomWJ.Dredgingequipmentandtechnology，bucketorladderdredger，lecturenotes.DelftUniversityofTechnology;2004.//
www.dredging.org/documents/ceda/downloads/vlasblom6-the-bucket-or-ladder-dredger.pdf>[chapter6].
[2]Rusin´skiE，CzmochowskiJ，MoczkoP.Numericalandexperimentalanalysisofamine’sloaderboomcrack.JAutomConstr2008;17:
271–7.
[3]ShindeSD.StandardizationofJibcranedesignbyF.E.M.rulesandparametricmodeling.IntJRecentTrendsEng2009;1（5）:
145–9.
[4]LópezVDetal.FiniteelementcraneanalysisaccordingtoUNE58132-2standard，report.UniversityofCarlosIII，Madrid;2008.
[5]DerlukiewiczD，PrzybyłekG.ChosenaspectsofFEMstrengthanalysisoftelescopicjibmountedonmobileplatform.JAutomConstr2008;17:
278–83.
[6]RusinskiE，CzmochowskiJ，IlukA，KowalczykM.AnanalysisofthecausesofaBWEcounterweightboomsupportfracture.JEngFailAnal
2010;17:
179–91.
[7]KovacevicD.Numericalanalysisandcomputationofthejibstructureofwaterwaybucketdredger.Technicalreport.ShipRegistryofRepublicofSerbia，
NoviSad;2009.
[8]CookRD.Finiteelementmodelingforstressanalysis.NewYork:
JohnWiley&Sons，Inc.;1994.
[9]FelippaCA.Advancedfiniteelementmethodsforsolids，platesandshells（ASEN6367Course）.DepartmentOfAerospaceEngineeringSciences.
UniversityofColoradoatBoulder;2011.//www.colorado.edu/engineering/CAS/courses.d/AFEM.d/Home.html>.
[10]Kovacˇevic´D.FEMmodelinginstructuralanalysis.GradjevinskaKnjiga，Belgrade;2006[inSerbian].
[11]AxisVM_11User’smanual，InterCAD，Budapest;2012.
[12]Kovacˇevic´D，Sokovic´M，BudakI，Antic´A，KosecB.Optimalfiniteelementsmethod（FEM）modelforthejibstructureofawaterwaydredger.Metallurgy
2012;51:
113–6.
[13]KovacevicD，Budak，I，AnticA，KosecB.Specialfiniteelements:
theoreticalbackgroundandapplication.TechnicalGazette.vol.18（4）;2011.p.649–55
ISSN1330-3651.
[14]KovacevicD.Theoreticalandpracticalaspectsofmodelingofboundaryandinterfaceconditionsofstructuralsystems.InvitedLecture，Mathematical
InstituteofSerbianAcademyofSciencesandArts;2010.//www.mi.sanu.ac.rs/colloquiums/mechcoll_programs/mechcoll.feb2010.htm>[in
Serbian].
[15]FeldhusenJ，TorsakulS，BrezingA，KrishnamoorthyS.Numericalmodelingandexperimentalinvestigationofthefailuremodesofthecellularfoam
sandwichstructures.JMet，MaterMiner2008;18
（2）:
111–5.
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