（机械电子工程专业论文）非滑道区大型结构物建造垫墩优化及装船受力分析研究.pdf

中文摘要 随着科学技术的发展，大型钢结构物得到了越来越广泛的应用，其建造规模 也朝着高、大、重的方面发展，结构建造也更加趋于模块化。镍矿项目是世界上 第一个采用模块化建造集成冶炼装置，该项目共有1 8 个模块，最轻的达到1 0 0 0 多吨，最大重达5 0 0 0 多吨。受很多实际因素影响，镍矿项目模块在非滑道区域 建造，对大型钢结构物的建造工况和运输装船工况提出了更高的要求。 本文针对大型钢结构物在建造和运输装船过程中涉及的两个重要结构：垫墩 和栈桥，进行了详细的强度分析和结构优化，并根据目前的设计现状，应用 c a d c a e 技术，与传统设计方法进行比较，改变了过去设计工作中计算数据精 度低和设计成本较高等缺点，提高了垫墩和栈桥的结构性能。 首先，本文分析了建造垫墩、称重垫墩和装船垫墩三者的结构特点，提出了 标准化垫墩的设计思路。选取有代表性的一个垫墩，讨论了对垫墩和土进行墩土 耦合有限元建模的思想和过程。应用有限元分析软件a y s y s ，对称重过程中垫 墩的几种不同工作工况进行了强度分析。 其次，根据强度分析结果，以垫墩轻量化为目标函数，在保证垫墩满足强度 要求的同时，基于土约束状态下对垫墩进行结构优化设计。优化后的垫墩不仅能 满足称重时强度要求，而且使垫墩应力分配更加合理、均匀，有效避免了应力集 中，提高了安全性，同时节约了钢材，节省了加工制造费用。 最后，根据大型钢结构物在装船过程中的实际工况，将码头和栈桥利用面 面接触单元进行有限元建模。针对平板小车分步移位装船过程的几种实际工况， 对所设计的栈桥进行结构强度分析，得到栈桥应力分布情况和应力危险部位，为 栈桥的设计和分析提供了理论参考，对提高栈桥的设计质量和整体性能均有一定 的指导意义。 本论文的研究方法具有一定的工程实用价值和较广的适用性，对于同类大型 结构设计的强度计算和结构改善有着重要的借鉴作用，本文的研究结果对实际工 程设计也有重要的理论指导意义。 关键词：垫墩栈桥有限元结构分析优化 a b s t r a c t a l o n gw i t hs o c i e t y sd e v e l o p m e n t ，l a r g e s t e e ls t r u c t u r e i su s e dw i d e l ya n d d e v e l o p st o w a r dt h ed i r e c t i o no ft a l l ，b i ga n dh e a v y , a n dm o d u l a r i z a t i o n k o n i a m b o n i c k e lp r o j e c th a s18b l o c k s a m o n gt h e mt h et i g h t e s to n ei sa b o u t10 0 0t o n s ，a n dt h e h e a v i e s ti sa b o u t5 0 0 0t o n s f o rm a n yi m p a c t e df a c t o r s ，t h eb l o c k sa r e n o tc o n s t r u c t e d n e a r l a u n c h w a y s s oh i g h e r r e q u i r e m e n t s f o rc o n s t r u c t i o na n dt r a n s p o r t a t i o n p r o c e s s e so f t h eb l o c k sa r en e e d e dt h i r s t i l y i nv i e wo ft h ec u ps u p p o r ta n ds t e e lb r i d g e ，t w oi m p o r t a n te l e m e n t sd u r i n gt h e c o n s t r u c t i o na n dt r a n s p o r t a t i o np r o c e s s e s ，t h ed i s s e r t a t i o nf u l l ya n a l y z e da n d o p t i m i z e dt h es t r u c t u r e s a c c o r d i n gt ot h ep r e s e n td e s i g ns i t u a t i o na n dm a k i n gu s eo f t h ec a d c a et e c h n o l o g y , ac o m p a r i s o nb e t w e e nt r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o da n dt h e n o v e lo n ei sm a d ei nt h ed i s s e r t a t i o n t h em e t h o d ，p r e s e n t e di nt h ed i s s e r t a t i o n ，g e t s o v e rt h ef a i l u r eo ft r a d i t i o n a lm e t h o d ，s u c ha sl o wp r e c i s i o n , t o ol a r g es a f e t y c o e f f i c i e n ta n dh i g hd e s i g nc o s t s ，e t c t h er e s u l t ss h o wt h a tt h en e wm e t h o di m p r o v e s t h ep e r f o r m a n c e so ft h ec u ps u p p o r ta n dt h es t e e lb r i d g e f i r s t l y , s t r u c t u r a lf e a t u r e so fn o n s l i d e w a yw a sb r i e f l yi n t r o d u c e da n db a s e do n t h ed r u c k e r - p r a g e rc r i t e r i o n ，as t r u c t u r a lm o d e l i n go ff o u n d a t i o ni sc o m p l e t e db y a p p l y i n g 3 - dm o d e l i n gs o f t w a r es o l i d w o r k s t h e n , t h ed i s s e r t a t i o ne m p h a t i c a l l y e l a b o r a t e dt h en e wd e s i g np h i l o s o p h yf o rt h ec u ps u p p o r t s s t a n d a r d i z a t i o na n df i n i t e e l e m e n to ft h ec o u p l i n gm o d e lo ft h ec u ps u p p o r ta n dt h es o i l a n dt h e n ，a c c o r d i n gt o s o m ed i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n ，t h es t r u c t u r es t r e n g t ho ft h ec u ps u p p o r tw a s a n a l y z e dw i t ht h eh e l po f a n s y ss o f t w a r e s e c o n d l y , b a s e do nt h er e s u l t s ，t a k i n gt h ew e i g h to ft h ec u ps u p p o r ta st h e o b j e c t i v ef u n c t i o n , t h ed i f f e r e n ts t r e s s e s a 8s t a t ev a r i a b l e ，a n dt h en o n - s l i d e w a y f o u n d a t i o na st h ec o n s t r a i n , t h es t r u c t u r eo fc u ps u p p o r tw a so p t i m i z e d t h e r e c o n f i g u r e dc u ps u p p o r td i dn o to n l ym e e tt h er e q u i r e m e n ti nw e i g h i n gc o n d i t i o n , b u ta l s oh a db e r e rs t r e s sd i s t r i b u t i o na n db e r e rp e r f o r m a n c ea n dt h es t r e s s c o n c e n t r a t i o nw a sa v o i d e de f f e c t i v e l y , w h i c hm a d ei tm u c hm o r es a f e t y m e a n i n g t i m e ，i tc o u l dm a k et h em a t e r i a ls u f f i c i e n t l yu s e da n dt h ec o s ts a v e d f i n a l l y , o nt h eb a s i so ft h er e a l i t yw o r k i n gc o n d i t i o n , 3 - dm o d e l i n go f t h ew h a r f a n ds t e e lb r i d g ew a sb u i l t t h r o u g hu t i l i z i n gt h ef a c e p l a t e f a c e p l a t ec o n t a c te l e m e n t s i i ls o r w a r ea n s y s ，a n db a s e do nt h ec a r t sd i s p l a c e m e n t su n d e rs o m ea c t u a l c o n d i t i o n ，t h es t r u c t u r es t r e n g t ho ft h es t e e lb r i d g ew a sa n a l y z e d s t r e s sd i s t r i b u t i o n a n ds t r e s sd a n g e r o u sp o s i t i o n sw e r e o b t a i n e da n dt h e s er e s u l t sp r o v i d e dt h e t h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e s i g na n da n a l y s i so ft h es t e e lb r i d g e ，a n da l s op r o v i d e d t h e o r e t i c a ld i r e c t i o nf o rt h ed e s i g nq u a l i t ya n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h es t e e lb r i d g e t h er e s u l t ss h o w e dt h a te v e nu n d e rb a dw o r k i n gc o n d i t i o n , t h es t e e lb r i d g ei ss t r o n g e n o u g ht oa l l o wt h el a r g e s t e e ls t r u c t u r et r a n s p o r t i n g t h er e s e a r c hm e t h o di nt h ed i s s e r t a t i o ni sw i t he n g i n e e r i n gp r a c t i c a b i l i t ya n d w i d ea p p l i c a b i l i t y i ta l s op r o v i d e sr e f e r e n c et ot h es i m i l a rl a r g es t r u c t u r e i ns t r e s s c a l c u l a t i o na n ds t r u c t u r ei m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：c u ps u p p o r ts t e e lb r i d g e f i n i t ee l e m e n t s t r u c t u r a la n a l y s i s o p t i m i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：阵学亏 签字日期： z 田7 年歹月 岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权：苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 一 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：聪譬秀 导师签名： 签字日期：酗宁年月 ，日签字日期： 歹 争 内 年6 只多b 彳吖 ， 第一章绪论 1 1 课题提出的背景 第一章绪论 随着科学技术的发展，大型钢结构物得到了越来越广泛的应用，其建造规模 也朝着高、大、重的方面发展【l 】。镍矿项目是世界上第一个采用模块化建造的集 成冶炼装置，共有1 8 个模块，最小模块重1 0 0 0 多吨，最大模块重达5 0 0 0 吨。 由于种种原因，镍矿项目模块在非滑道区域建造，这对大型钢结构物的建造工况 和运输工况提出了很高的要求。 镍矿项目大型钢结构物的施工作业主要有如下几个阶段的工作：陆地建造； 结构物重量和重心的测量；结构物的装船和驳船的调载；结构物的海上拖航；结 构物卸船等 2 1 。本文针对大型钢结构物在建造、称重和装船时的两个重要结构： 垫墩和栈桥，详细的进行了强度分析和结构优化。有效的减小了应力集中，使应 力分配更加均匀合理，提高了结构的整体性能，分析结果对结构的设计、改进均 有一定的理论指导意义。 1 1 1 大型钢结构物的称重 镍矿项目大型钢结构复杂程度很高，重量也很大，最重达5 0 0 0 多吨，而且 这些结构物往往存在着柔度大、重量分布不均匀以及支撑点跨距较大等特点，这 对施工提出了很高的要求，需要对重量和重心进行严格科学的控制。大型钢结构 物的重量和重心分布是结构物现场安装的重要控制参数，准确的重量和重心位置 也对选择浮吊和吊索起决定性作用。 大型结构物的称重技术，有较多的方法，可以采用施焊前的单件称重、磅秤 测量、应变片测量、千斤顶称重等方梨3 1 。其中，施焊前的单件称重的方法对大 型钢结构物的运输安装意义不大。由于结构物制造过程中焊接材料和撬块的局部 修改和临时结构等因素的影响，结构物的最终重量与设计重量往往相差较大，导 致重量控制很困难，才需要预制后称重。用地泵测量，一方面是测量精度低，另 一方面大型结构物重量较大，地泵测量的测量范围有限，而且无法精确测出重心 位置。 第一章绪论 现行的大型结构物称重技术主要可以分为两大类：一类是利用大吨位的弹性 元件，通过测量弹性元件应力应变的方法。该法测量精度较高，但是由于应变传 感器易受温度、湿度和电磁干扰等因素影响，传感器长期测量的稳定性和精确度 都受到较大影响，特别是由于大型结构物的支撑点较难选择，不宜采用细长类敏 感元件，影响其总体测量精度；另一类方法是通过液压构件，将大型结构物同步 平移项升，结构物全部离开地面稳定后，通过压力传感器测量管路油压，从而实 现高精度的重量测量。该方法测量时间短、精度高【4 】。目前，新加坡、南韩及美 国等制造厂都广泛应用液压千斤顶结合传感器的测量方法。在自动称重系统的设 计过程当中，一方面需要有足够承载能力的千斤顶作承载器，另一方面需要有高 精度的传感器来测量压力和位移信号。 大型结构物称重技术是利用位移传感器检测每一个桩腿的项升高度，通过压 力传感器检测每一个千斤顶的承力状况，采用电磁阀控制千斤顶的进出油流量， 用先进的数据总线技术，将压力传感器、位移传感器、状态设置开关、油泵换向 阀和油管超高压电磁阀等设备进行网络监控，实现称重过程中对大型结构物同步 项升、下降和调平的计算机自动控制、监测与报警，实现称重过程的全电脑自动 控制【5 1 。 本论文中，大型钢结构物的称重，采用液压缸自动称重方法。称重时，利用 “液压千斤顶”将结构物顶升一定距离，此时平台的全部重量由千斤顶的液压油 缸来支撑，准确测量各千斤顶液压油的压力，乘以全部液压缸的工作面积即可获 得平台重量，再根据千斤顶的坐标可获得结构物的重心位置坐标参数。 由于种种原因，镍矿项目大型钢结构物在非滑道场地上建造。非滑道场地地 基强度小，受压后变形大。大型钢结构物建造时，通过垫墩与地基连接。称重时， 液压油缸摆放于垫墩上，缓缓同步顶升起结构物，这就需要对垫墩的强度以及非 滑道场地土地基的沉降进行分析，保证称重的安全进行。 1 1 2 大型钢结构物的装船 大型钢结构物建造完成后，由平板小车拖运到驳船上，运往施工现场。驳运 是目前大型钢结构物所采用的一种主要运输方式6 1 。因此结构物装船过程显得尤 为重要，甚至是关系工程成败的重要环节，引起了各国对该项作业的重视并不断 地探寻科学的方法【7 1 。 大型钢结构物的装船般有以下几种方法：浮吊吊装，滑移装船，平板小车 2 第一章绪论 移位装船等，下面简单介绍这三种方法： ( 1 ) 浮吊吊装：一般情况下，海上结构物装船是用浮吊吊装，但此方法只适 应于8 0 0 吨阻下的中小型结构物，对于8 0 0 吨咀上的大型结构物，没有大型起 重设备，吊装作业就无法实施i s l l 9 l 。而且浮吊船雇佣费用较高，有时如果浮吊船 靠不上码头，就会耽误工期，为充分利用现有的设备和技术力量解决大型结构物 装船的问题，结构物拖拉滑移装船法应运而生。 ( 2 ) 滑移装船：滑移装船是平台导管集和平台组块等大型结构物装船的主要 方式。该技术是利用绞车系统将大型结构物平稳地牵引到驳船上，取代了传统采 用浮吊的施工方法太幅度地降低了成本提高了工作效率【1 。目前国外如挪 威、美国、墨西哥等国家广泛采用该方法，实现了在海洋的安装作业i ”i t ”1 1 嘲。 国内如海洋石油工程股份有限公司的大型半潜式驳 | b h 3 0 8 ，先后成功地运用该 技术根据及时潮汐，完成了我国j z l 9 3 油田西区储油存箱、s z 3 6 - l 海洋平台等 的滑移装船和海洋运输作业。 圈i - 1 平扳小车结构图 圈1 - 2 大型钢结构物平板小车移位装船 ( 3 ) 平板小车移位装船：镍矿项目大型结构物的装船采用平扳小车移位装船。 大型钢结构物建好之后，由平板小车拖运装船。本项目平扳小车由荷兰的 第一章绪论 m a m m o e t 公司提供，其形状如图1 1 所示。平板小车每个轮胎由独立的液压缸 控制，可实现升降功能、1 8 0 度旋转以及前进、暂停、拐转和倒退等功能。驳船 船体主要由压载水舱、燃油舱及淡水舱构成，其中压载水舱是用来调节驳船吃水 量大小的。结构物装船的过程中，驳船位置主要通过调节压载水舱的压载水量来 实现【1 4 1 。 一般的平板小车移位装船是按分步控制装船法进行，就是将结构物上船过程 划分成若干步骤，并把每个步骤的分界点作为拖拉与驳船调载的控制点，力求拖 拉与调载协调，有条不紊地控制装船从一个控制点到另一个控制点，使误差控制 在最小范围内，保证结构物平稳上船。分步拖拉法就是把整个上船过程，根据结 构物对船施加压力的特点，分为若干个工况阶段，既要把结构物上船过程中各种 危险状态包括进去，又不致因分段过细给调载设计和施工增加不必要的麻烦。结 构物的拖拉过程需严格按照所分的阶段执行，每当拖拉到预定阶段，应根据计算 结果对驳船进行调平，并留有一定的压载储备，以便进行下阶段的拖拉。特别当 结构物即将全部上船的关键时刻，应停止拖拉，按照结构物压在船上的全部重量 进行调载，把驳船尾部抬高，保证驳船给栈桥项力，以避免当平板小车离开码头 边全部滑上驳船的瞬间，在驳船尾部骤然发生过度的下沉。平板小车移位装船如 图1 2 所示。 在平板小车分布拖拉装船的过程中，钢栈桥负责连接码头和驳船。大型钢结 构物质量很大，同时又在钢栈桥上走走停停，要求栈桥有足够的强度，保证装船 的安全性，因此对钢栈桥结构强度的分析就显得非常必要。 1 2 有限元法的发展和特点 1 2 1 有限元法的发展概况 有限元的基本思想起源于2 0 世纪4 0 年代。19 4 3 年数学家c o u r a n t 第一次尝 试用定义在三角形区域上的分片连续函数的最小位能原理来求解t v e n a n t 扭转 问题，一些应用数学家、物理学家和工程师也由于种种原因涉足有限元的概念。 直到1 9 6 0 年以后，随着电子计算机的广泛应用和发展，有限元技术依靠数值计 算方法，才迅速发展起来。到6 0 年代末7 0 年代初出现了大型通用有限元程序， 它们以功能强、用户使用方便、计算结果可靠和效率高而逐渐形成新的技术商品， 4 第一章绪论 成为结构工程强有力的分析工具。到8 0 年代以后，随着有限元网格自动划分和 自适应有限元方法等算法发展，许多有限元分析软件( 如a n s y s ，n a s t r a n ， i - i d e a s 等) 中加入了网格自动生成和优化设计模块，具有基于参数的多种分析 类型的形状优化功能，促进了有限元在计算机上的迅速发展。 有限元技术经过了几十年的发展，在数值算法、求解器、单元技术、材料模 式方面有了很大的发展，加上硬件的突飞猛进，使得模拟计算效率更高，处理大 规模的问题更加得心应手。对当今的有限元模型来说，3 0 5 0 万节点规模的问题 已经司空见惯，上百万的规模也不足为奇，这也意味着c a e 分析的结果可以更 为真实可信。 1 2 2 有限元法的基本原理和特点 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) ，也称为有限单元法或有限元素法， 是目前工程技术领域中实用性最强、应用最为广泛的数值模拟方法。它是一种通 过将结构离散化，把荷载和位移简化到结点上来分析的数值计算方法，也是随着 电子计算机的发展而迅速发展的一种现代计算方法【1 5 】【1 6 】。 有限元法的基本思想是将问题的求解域划分为一系列单元，单元之间仅靠节 点连接。单元内部点的待求物理量可由单元节点物理量通过选定的函数关系插值 求得。由于单元形状简单，易于由平衡关系或能量关系建立节点量之间的方程式， 然后将各个单元方程“装配”在一起而形成总体代数方程组，加入边界条件后即 可对方程组求解。 有限元离散化是假想把弹性连续体分割成数目有限的单元，即在计算的图形 上划分网格，根据物体的几何形状特征、载荷特征、边界约束特征等，单元有各 种类型，这些单元仅在其顶角出互相联接，这些联接点成为节点。单元之间通过 节点传递内力，通过节点传递的内力称为节点力，作用在节点的载荷称为节点载 荷。当弹性体受到外力作用发生形变时，组成它的各个单元也将发生变形。因而 各个节点将产生不同程度的位移，这种位移称为节点位移。这样组成的有限单元 集合体，并引进等效节点力及节点约束条件，由于节点数目有限，就成为具有有 限自由度的有限元计算模型，替代了原来具有无限多自由度的连续体。 在此基础上，根据每一个单元根据分块近似的思想，假设一个简单的函数来 近似模拟其位移分量的分布规律，即选择位移模式，再通过虚功原理( 或变分原 理或其它方法) 求得每个单元的平衡方程，就是建立单元节点力与节点位移之间 第一章绪论 的关系。最后，把所有单元的这种特性关系，按照保持节点位移连续和节点力平 衡的方式集合起来，就可以得到整个物体的平衡方程组。引入边界约束条件解此 方程就求得节点位移，并计算出个单元应力应变值。有限单元法的应用范围极为 广泛，有非常强的实用性；而且概念浅显，易于掌握【1 7 】。 总之，有限元法的实质是把具有无限多个自由度的弹性连续体理想化为只有 有限个自由度的单元集合体，使问题简化为适合于数值解法的结构型问题。 1 3 本文的研究内容 本论文应用c a d c a e 技术，以三维实体建模软件s o l i d w o r k s 和大型有限元 分析软件a n s y s 为工具，对大型钢结构物称重和装船过程中的垫墩和栈桥，进 行三维建模和有限元结构强度分析，提高整个过程的科学性、安全性、可靠性。 本课题主要研究内容如下： ( 1 ) 简单介绍了大型钢结构物的称重和装船过程，以及本文研究的两个重 要模块：垫墩和栈桥；并介绍了有限元思想的发展和基本原理、特点，为后续的 研究工作提供理论基础； ( 2 ) 详细论述了标准化垫墩的设计思路，使建造垫墩、称重垫墩、装船垫 墩三者合一，提高了垫墩的利用率，节省了大量钢材；简单介绍了非滑道区域强 夯土的特点，基于d r u c k e r - p r a g e r 理想弹塑性模型对其进行建模； ( 3 ) 着重讨论了土和垫墩的墩土耦合有限元建模的思想和优点，对模型进 行网络划分、约束和加载，根据大型钢结构物称重过程中液压缸的几种工况，对 垫墩进行强度分析； ( 4 ) 首先阐述了a n s y s 有限元结构优化的基本思想和基本过程，然后根 据垫墩强度计算结果，以板厚和垫墩直角处圆弧过渡半径为设计变量，以各单元 应力为状态变量，以垫墩的总质量为目标函数，基于强夯土地基约束对垫墩进行 结构优化，使其应力分布更加均匀，避免应力集中，并在保证实际工程所需的强 度要求下，减轻了质量，节约了加工制造成本，最终设计出合理的垫墩结构； ( 5 ) 简单分析了码头的结构特点，并建立实体模型，以壳单元建立栈桥的 有限元模型，同时，以栈桥底面为接触面，码头面为目标面，建立a n s y s 接触 单元，约束和加载，对平板小车移位装船几种工况，尤其是在恶劣工况，对栈桥 和码头进行了强度分析，为栈桥的结构设计提供指导意义。 6 第二章垫墩和非滑道场地的特点及有限元建模 第二章垫墩和非滑道场地的特点及有限元建模 2 1 有限元结构分析 2 1 1 有限元结构分析概述 结构分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域。结构这个术语是一个广 义的概念，它包括土木工程结构如桥梁和建筑物，汽车结构如车身骨架，海洋结 构如船舶结构，航空结构如飞机机身，还包括机械零部件如活塞、传动轴掣1 8 1 。 结构静力分析是用来计算在固定不变的载荷作用下结构的效应，即由于稳态 外载引起的系统或部件的位移、应力、应变和力。一般情况下，结构静力分析不 考虑惯性和阻尼影响如结构受随时间变化载荷作用的情况。静力分析还可以 计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响( 如重力和离心力) ，以及那些可以 近似为等价静力作用的随时间变化载荷( 如通常在许多建筑规范中所定义的等价 静力风载和地震载荷) 的作用。一般来，结构分析分为结构线性分析和结构非线 性分析。 结构线性分析就是假定结构内部材料应力应变关系的本构方程是线性的；描 述应变和位移之间关系的几何形状是线性的；建立于变形前状态的有限元法平衡 方程是线性的；结构的边界条件是线性的，结构线性分析是最基本的结构分析。 在实际工程问题中，经常不能同时满足结构线性分析的条件，因此进行结构线性 分析常常需要对分析的工程问题进行合理的简化，在满足线性分析的要求后才可 进行线性分析。 结构非线性包括几何非线性、材料的非线性、边界条件的非线性等，它们会 导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。一般结构的非线性分析包括大变 形、塑性、接触( 间隙) 单元和超弹性单元等。 在本论文中，垫墩和栈桥的分析是线性分析，非滑道场地和码头属于材料非 线性分析，栈桥与码头接触单元分析属于接触非线性分析。 7 第二章垫墩和非滑道场地的特点及有限元建模 2 1 2d r u c k e r - p r a g e r 理想弹塑性模型 大量的混凝土和土壤强度试验研究表明，混凝土、岩土、土壤属于颗粒状材 料，其受力强度与金属材料相比有其不同之处，归纳起来，主要有以下特剧1 9 】： ( 1 ) 受拉强度比受压强度要差得多； ( 2 ) 在受拉破坏和受压破坏时，其延性是有限的，即其破坏，要么压碎， 要么断裂，因应力状态的不同而异； ( 3 ) 静水压力对它们的不连续性和破坏有显著影响，但是适度的静水压力 单独作用既不会使其屈服，变不破坏； ( 4 ) 材料受剪时，颗粒会膨胀。 土体的应力一应变关系非常复杂，它具有非线性、弹塑性、粘弹性、流变性 等特征，在实际计算中要综合考虑到各种因素是非常困难的。很多室内模拟试验 中，发现土体的应力应变关系都会出现明显的非线性特征，用线弹性模型描述 这种关系是不合理的。从已有的对土体强度的模型研究成果中不难发现，弹塑性 模型能较好地反映土的非线性特征【2 0 1 。1 9 0 0 年摩尔( o m o h r ) 教授建立了著名 的m o h r - c o u l o m b 强度理论( 简称m c 强度理论) 以来，大量的实验和工程实践 己证实，m c 强度理论能较好地描述岩土材料的强度特性，因而在岩土工程领域 得到了广泛的应用。随着岩土理论、现代计算技术及计算机软、硬件的飞速发展， 有限元等数值方法己成为岩土工程领域有效的计算方法。然而由于种种原因， m c 准则给数值计算带来困难。为此，在这种研究的基础上，提出了一种新破坏 准则，人们称之为d r u c k e r - p r a g e r 准则。目前国际上流行的许多大型有限元软件， 比如a n s y s 以及美国m s c 公司的m a r c 、n a s t r a n 等均采用了d p 屈服准则。 使用d r u c k e r - p r a g e r 屈服准则的材料简称为d p 材料。在岩土、土壤的有限元 分析中，采用d p 材料可得到较为精确的结果。计算时d p 材料一般需要输入三个 参数：粘聚力c ，内摩擦角缈，膨胀角声。声膨胀角用来控制体积膨胀的大小，对 压实的颗粒材料，当材料受剪时，颗粒将会膨胀，如果膨胀角舻o ，则模型体积 不会膨胀，如果膨胀角伊驴，材料会发生比较严重的体积膨胀，般来说，户o 是比较保守的算法【2 。 第二章垫墩和非滑道场地的特点及有限元建模 2 - 2 垫墩的结构特点及其有限元建模 大型钢结构物体积大、质量重，建造和运输很不方便。镍矿项目共有1 8 个 大模块，最大的模块重达5 0 0 0 多吨。以3 m 1 0 1 大型导管架为例，重达2 7 0 0 多 吨。在非滑道场地上建造、称重以及驳船上装运，都需要大量的垫墩作支撑。根 据垫墩不同的用途，可以分为建造垫墩、称重垫墩、装船垫墩。本节运用全新的 设计思想，从装船垫墩开始着眼，通过对垫墩形状尺寸、位置的改变，使建造垫 墩、称重垫墩、装船垫墩三者合一，同时满足了建造、称重、装船的目的，提高 了垫墩的利用率，节省了大量钢材。 2 2 1 传统的垫墩结构设计 下面以3 m 1 0 1 大型钢结构物为例说明，结构物通过1 5 个垫墩a 1 a 1 5 与非 滑道场地连接，建好之后由四辆平板小车拖运装船。垫墩由钢板焊接而成，底面 为矩形钢板，其大小应在满足小车来回穿插位置的情况下，使底面面积尽可能大， 以减小垫墩对土的压强，从而也减小了非滑道场地的沉降；同时应协调建造时各 垫墩受力和垫墩底面面积的关系，使对各个垫墩起支撑作用的非滑道场地的沉降 保持一致，避免出现各个垫墩沉降不均的情况。垫墩顶部为钢板焊接而成的工字 梁形状，具体工字梁的型号，根据结构物对应“支腿”工字钢型号确定，保证结 构物与垫墩的连接。3 m 1 0 1 建造垫墩形状及位置如图2 1 所示。 结构物建好之后，脱离建造垫墩，由平板小车拖运装船。结构物装船后，所 有的建造垫墩便弃之不用，造成钢材的大量浪费。 驳船底部装有水平工字梁，如图2 2 中虚线所示，起支撑装船垫墩和大型钢 结构物的作用。工字梁上布置有装船垫墩，其位置和大小确定方法是：保证装船 垫墩位于一根驳船工字梁上或者横跨在两根驳船工字梁上，其具体形状和位置如 图中第一竖排和第三竖排小方块所示。装船时，首先将图中第一竖排装船垫墩按 b 、c 、d 、e 、f 、g 位置摆放于驳船的工字梁，等平板小车拖运结构物装船后， 将第一排垫墩与对应的导管架“支腿”对齐，然后微整第三排垫墩的位置，使之 与对应导管架“支腿 对齐，互相焊接在一起，这样便完成了一个完整的装船过 程。 9 第二章垫墩和非滑遒场地的特点及有阻元建模 r - 。n ：l n m em i n t 5 1 m 5 卅s u p p ”p 出 垫墩_ -! 三生_ 二l 生二兰三_ !- _ - 彳 + 1 一r o r q 一一1 一= ：重：薹三e 重：三三囊三三三： 兰型兰兰兰三二j 量= 篙= 型 雨焉毛要笺篓鲁霎罩兰= 兰：了：三竺：1 者囊量匪查窿纛霉1 一一一王j二二!j；：f：!j：fif：jl；璧。， 阡板衣r 币丽百同而r 瞳五p 研r 商丽r 雨乖可 一j 孵醑啊= = ：匕2 f 一= = 鼍= = 3 3 f = 3 一 图2 - t 优化前3 m 1 0 1 大型结构物建造垫墩布置图 m o d u l e1 0 1m o o u l e1 0 2 ( 少( 、三)q ) ( 9 习( 三= ) t i l f l 、i 曲 奔 陆”i产同延崩 i 巨量：2 ：f 爿罔重 鸯童jj 崩 di 酵 ；童 ! ：申：辛： 1i 一斗 i 霉事l ：甾：詹) ：甾冒 一一_ ：一：一 1 q - 十， j 崩：岔 。( 1 ) i = l w t 为垫墩质量，p = 7 8 5 0 1 0 _ 9 船m m 3 为钢的密度，v 为单元体积，其中 f _ 1 ，2 ，3 。 4 2 优化设计分析过程 优化设计的基本流程如图4 3 所示，其基本过程为：第一步，建立基于土约 束的垫墩参数化几何模型，进行有限元网格划分，在边界条件中加入位移约束、 载荷约束，对垫墩的材料及特性进行定义，进行计算；第二步，进入后处理模块， 定义单元表，生成每个单元的体积列表，对列表进行求和运算，并把结果付给参 数v t o t 。然后读取这个结果，乘以钢的密度p = 7 8 5 0 x 1 0 9 奴聊聊3 ，把所得的 结果赋给参数w t ，这就是垫墩的总重量；第三步，在优化处理器里生成设计变 第四章基于土约束的垫墩有限元结构优化 量a 1 、a 2 、a 3 、a 4 、a 5 、a 6 ，限制变量的应用范围，生成状态变量应力s m a x ， 确定变量的取值范围，定义优化目标，约束条件，选取的优化方法为一阶法。最 后，提交到a n s y s 中进行优化分析，定义最大优化次数4 5 ，读出优化结果【3 8 】。 图4 - 3 垫墩的a n s y s 优化设计流程图 其中，优化参数评价方法是指，优化处理器根据本次循环提供的优化参数( 设 计变量、状态变量及目标函数) 与上次循环提供的优化参数作比较之后，根据收 敛准则确定该次循环目标函数是否达到了最小，或者说，结构是否达到了最优， 如果最优，完成迭代，退出优化循环过程，否则，继续进行下一步。 第四章基于土约束的垫墩有限元结构优化 43 垫墩结构优化分析 4 3 1 垫墩优化结果 在完成分析文件的建立之后，开始执行优化分析。所有优化变量和其他参数 在每次迭代后将存储在优化数据文件( j o b n a m e o p t ) 中。在获得大量优化设计 序列后，通过菜单路径可以列表出优化设计序列对应的参数值，修改优化分析文 件中相关变量赋值语句，使设计变量等于优化后的大小，然后在a n s y s 中读取 分析文件执行分析，察看该序列的实际设计状态。 通过对垫墩整体的优化建模分析，采用一阶方法进行优化计算，经过4 5 次 循环选代，得到优化后结果，模型优化前后参数对比见表4 1 。 袁 l 模型优化前后数据对此 模型参数 a l ( m m )a 2 ( m m )a 3 ( n u a )a 4 ( m m )a 5 ( m m )a 6 ( m m ) w t ( k g ) 优化前无无 优化后2 2 0 4 6 4 08 2 7 4 9 8 14 9 8 1 为了便于统一加工及标准化设计 a 4 - 4 0 m m ，a 5 - 5 0 0 r a m ，a 6 = 5 0 0 m m 取a l = 2 5 m m ，a 2 = 3 0 m m a 3 = 2 5 m m 此时垫墩重9 6 5 28 k g 。 优化设计后，日标函数、”( 重量) 的迭代过程如图4 5 所示。 忑；”= _ i ! 舅 图4 4g l 标函数的迭代过程 的迭代过程如图4 - 4 ，状态变量$ m a x 雷7 1 图 一 图4 - 5 状态变量的选代过程 第四章基于土约束的垫墩有限元结构优化 43 2 垫墩优化后结果验证 取优化后的板厚a l = 2 5 m m ，a 2 = 3 0 m m ，a 3 = 2 5 m m ，a 4 = 4 0 m m ，过渡圆弧 半径a s = 5 0 0 n u n ，对垫墩进行称重、建造时进行分析，得到应力、应变云图如图 4 西至4 - 1 l 所示。 图4 - 6 优化后称重时的垫墩应力云图 m 。o。1。-1 图4 - 7 优化后垫墩称重时墩土应变云图 图4 - 8 优化后称重时的挚墩应变云图图4 - 9 优化后称藁时的土切面应变云图 图4 1 0 优化后建造时的垫墩应力云图图4 - 1 1 优化后建遗时的垫墩应变云图 ( ”由图4 - 6 可知：优化后垫墩在称重时最大应力为1 8 9 m p a ，符台强度要 第四章基于土约束的垫墩有限元结构优化 求，且应力分配以优化前更加均匀； ( 2 ) 由图4 - 9 可知：优化后土地基沉降量为1 9 r a m ，比优化前增大了2 m m ， 主要是由于垫墩钢板厚度减小，弯曲增大，导致中心处土沉降增大所致； ( 3 ) 由图4 1 0 和4 1 1 可知：对于建造工况，优化后应力由9 2 m p a 降低到 6 3 m p a ，且应力集中得到明显改善，应力分配更加均匀； ( 4 ) 优化前后，垫墩的质量由1 4 2 0 4 7 k g 降低到9 6 9 8 k g ，降低了4 5 0 6 7 k g ， 垫墩在建造、称重时均能满足强度要求，且应力分配更加合理，极大的提升了垫 墩的整体性能。 4 4 本章小结 本章建立了基于土约束的垫墩结构的a n s y s 优化模型，给出了利用a n s y s 进行优化迭代计算的步骤和流程图，在保证最大应力小于材料许用应力的情况 下，对垫墩结构和质量进行了优化。结果表明，a n s y s 为垫墩结构优化设计提 供了一个很好的手段，通过优化能够显著降低垫墩的重量，缩短研制周期，节省 了加工制造成本。对于本次设计总结为如下几点： ( 1 ) 提出了标准化垫墩的设计思想，设计分析反馈到设计，直到 设计出比较理想的垫墩结构； ( 2 ) 结构优化不仅可以用来降低重量，也可用于优化应力水平及变形水平； ( 3 ) 从优化结果来看，应力应变分布更加均匀，尤其是直角过渡处用圆弧 连接过渡后，应力集中得到明显改善，提高了垫墩的整体性能； ( 4 ) 优化前后，垫墩的质量由1 4 2 0 4 7 k g 降低到9 6 5 2 8 k g ，降低了 4 5 5 1 9 k g ，降幅高达3 2 ，极大的减小了垫墩质量，减少了钢材使用量，节约了 加工制造成本。 第五章基于接触单元的栈桥有限元分析 第五章基于接触单元的栈桥有限元分析 大型钢结构物在强夯土地基上建好之后，由平板小车拖运到驳船上，送往施 工现场。本章对在平板小车拖运上船过程中，负责连接码头和驳船的钢栈桥进行 有限元强度分析，保证装船的安全性。小车上船过程如图5 1 所示。 图5 1平板小车经栈桥上船过程图 5 1 码头栈桥结构特点及建模 5 1 1 沉箱式码头的结构特点及有限元建模 沉箱式码头是重力式码头的一种，是码头建筑物主要结构形式之一。结构图 如图5 2 所示，一般上以下几部分组成【3 9 】 4 0 】： ( 1 ) 沉箱：沉箱由单块板彼此浇成整体组合而成。沉箱一般在专门预制厂 预制，在滑道上用台车溜放下水；有的用浮船坞下水；也有的工程在已有的岸壁 上预制，用浮吊下水。本论文中，薄壁混凝土沉箱，沉箱里每个小方格