抓斗挖泥船起升系統動載荷研究

劉　亞　苗　明

大連理工大學機械工程學院

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抓斗挖泥船起升系統動載荷研究

劉亞苗明

大連理工大學機械工程學院

借助于Pro/E、ANSYS、ADAMS等軟件建立了抓斗挖泥船起升系統剛柔耦合模型，在ANSYS Workbench平臺中計算得到了抓斗所受水力載荷；對挖泥船起升作業進行了動力學仿真，得到了起升速度對動載荷的影響關系，可為抓斗挖泥船的設計計算提供參考。

抓斗挖泥船； 剛柔耦合； 水力載荷； 動載荷

1　前言

抓斗式挖泥船是一種使用廣泛的工程船舶，其使用回轉挖泥機的臂架及繩索懸掛抓斗，通過繩索系統控制抓斗實現挖泥作業，在港口建設、河道治理等諸多工程領域中發揮著重要作用[1]。但是與國外先進水平相比，我國挖泥船行業無論是在理論研究還是設計建造環節都存在一定差距[2]，很多設計計算還依靠經驗公式。雖然國內在起重機方面的研究較多，但大多是針對陸用設備，對于水上起重設備的研究不夠充分，而抓斗挖泥船水下起升作業時，水對于抓斗的作用力不容忽視。因此，以某型18 m3抓斗挖泥船為研究對象，對挖泥船起升作業過程進行動力學仿真分析，為挖泥船的設計計算提供依據。

2　剛柔耦合動力學模型的建立

抓斗挖泥船起升系統主要由臂架、抓斗、轉臺、人字架、繩索系統等組成。臂架作為角鋼焊接桁架結構，其柔性對系統運行具有較大影響，因此在有限元分析軟件ANSYS中建立臂架的有限元模型，通過ANSYS的接口輸出模態中性文件*.mnf到ADAMS中，以此建立臂架的柔性體模型[3]。抓斗、轉臺與人字架結構剛性相對較大，因此作為剛體處理，并對不影響仿真計算的細節進行簡化處理，使用Pro/E建立其三維模型，通過*.x-t格式導入到ADAMS中，并在ADAMS中修改抓斗、轉臺及人字架的質量屬性，使其符合實際情況。繩索系統使用ADAMS中的Cable模塊直接建立。添加各部件之間的運動副關系，建立剛柔耦合的挖泥船起升系統動力學模型。

2.1臂架模型的建立

抓斗挖泥船臂架為角鋼焊接桁架臂式結構，在有限元軟件ANSYS中建模，單位制統一為mm、kg、N、s，彈性模量設置為2.06 E+005 MPa，泊松比設置為0.3，密度設置為7.85 E-006 kg/mm3，弦桿與腹桿采用基于鐵木辛柯梁結構理論的三維線性有限應變梁單元BEAM188，底節與臂頭部分的板結構則采用四節點彈性板殼單元SHELL63，按照臂架實際尺寸分別賦予BEAM188單元對應的截面參數，并賦予SHELL63單元不同的實常數。網格劃分完成后使用質量單元MASS21在臂架根鉸點、臂頭滑輪鉸點以及繩索連接點等處建立剛性區域，作為ADMAS中約束副、載荷及繩索連接的節點，建立臂架有限元模型。

有限元模型建模完成后，在ANSYS求解模塊中的ADAMS Connection接口下，將各個剛性節點選作為外連節點，在將計算出的模態中性文件導入到ADAMS中后，這些外連節點上將會生成Marker點。抽取模型的十二階模態，單位制采用用戶自定義的方式，Length Factor設為1 000，Mass Factor、Force Factor、Time Factor均設為1，求解并導出為*.mnf文件，通過ADAMS的Flex模塊導入到ADAMS中[4]。刪除一些不影響計算結果的高階模態，以提高仿真時的計算速度。

2.2鋼絲繩模型的建立

繩索系統在ADAMS的Cable模塊中直接建立。ADAMS/Cable模塊的建模運用了有限元離散化思想，使用軸套力對離散小球進行柔性連接，可以方便快速地對鋼絲繩、滑輪及卷揚等進行參數化建模并實現良好的仿真效果[5]。按照挖泥船實際結構依次在Cable模塊中設置Anchor(錨點)、Pulley Properties(滑輪屬性)、Pulley(滑輪)和Cable(繩索)[6]，其中錨點和滑輪與柔性臂架的連接通過在相應位置創建虛構件并將虛構件與柔性臂架固定在一起實現，鋼絲繩參數設置如表1所示。

表1　鋼絲繩參數

2.3添加約束

各部件之間通過約束副相連，約束類型及數量見表2。

表2　剛柔耦合模型約束副

按照上述方法建立的剛柔耦合模型見圖1。

圖1　剛柔耦合模型

2.4驅動函數

在對抓斗挖泥船進行動態仿真過程中，需要定義鋼絲繩的起升速度以及轉臺的回轉速度，使用ADAMS提供的STEP函數來進行模擬，STEP函數的表達式為STEP(x,x0,h0,x1,h1)。其中x為自變量，仿真中以時間作為自變量，x0為自變量初始值，x1為自變量終止值，h0為函數初始值，h1為函數終止值。

3　仿真分析

3.1仿真條件

以某型18 m3抓斗挖泥船為研究對象，其額定起重量為100 t，起升速度0～72 m/min，回轉速度0～1.5 r/min。

挖泥船在起升過程中因慣性力和沖擊而產生動載荷，以動載系數k表征動載荷的大小，即

(1)

式中，Fmax為最大受力；Fmg為抓斗總重力。

挖泥船在挖掘起升的過程中會產生一個起升動載荷，使得實際起重量大于抓斗總重量，且不同的起升速度將產生不同的動載荷[7]。同時由于抓斗挖泥船工作于水上，水中起升也與陸上起重作業不同，需要考慮水的影響。在此，分別在額定起重量100 t下選取3種不同的起升速度進行仿真分析，以探究起升速度與動載荷之間的關系。3種工況分別為：

(1)工況一，3 s內起升速度由零加速到0.8 m/s，然后勻速運動到出水后臂架受力穩定。

(2)工況二，3 s內起升速度由零加速到1 m/s，然后勻速運動到出水后臂架受力穩定。

(3)工況三，3 s內起升速度由零加速到最大起升速度1.2 m/s，然后勻速運動到出水后臂架受力穩定。

3.2水力載荷

抓斗在水中運動時，受到水的浮力和阻力作用，已知抓斗體積和抓斗容量，浮力便可由浮力公式求得。為了得到不同起升速度下水流對于抓斗的阻力作用，借助ANSYS Workbench平臺，對抓斗進行流體力學仿真計算。

將簡化后的抓斗模型導入到Workbench Geometry中，建立一個長寬高均為50 m的外流場區域，并分別對進口、出口及流體固體耦合面等進行命名。在ICEM CFD中使用掃掠法對流場進行網格劃分，形成網格文件。

在Fluent中對網格文件進行計算。求解模型選為標準k-ε模型，流體材料選為水，入口設為速度入口，出口為壓力出口，并對耦合面上的受力進行監測。因為Fluent沒有提供量綱為牛頓的監測接口，所監測到的是受力系數[8]，其中阻力系數Cd定義如下：

(2)

式中，Fd為阻力大小，包括水壓力和粘滯阻力；ρ為密度；v為速度；s為面積。

為了監測到量綱為牛頓的抓斗受力大小，設定(2)式中分母為1即可。為此，在Reference Values中將參考密度設置為2，參考面積和參考速度都設為1，這樣監測得到阻力系數Cd值在數值上即為抓斗所受阻力大小。對抓斗的流體力學計算結果見圖2。

圖2　抓斗阻力系數

3.3起升動載荷

將浮力計算結果和流體力學計算得到的阻力載荷通過ADAMS函數加載到剛柔耦合模型上，在ADAMS中完成動力學仿真[9]。仿真得到的臂頭鉸點受力結果見圖3。

圖3　臂架鉸點受力

由仿真數據計算得到3種起升工況下的動載系數，見表3。

表3　3種工況動載系數

由鉸點受力結果和表3可知，抓斗挖泥船挖掘起升時動載荷較大，起升動載荷的最大值出現在抓斗剛開始起升的階段，而且隨起升速度的增大而增大，當抓斗以最大起升速度1.2 m/s起升時，動載荷達到最大值，此時起升動載系數為1.348。同時由于水的浮力和阻力的存在，抓斗出水時臂架鉸點受力會出現波動，這也是抓斗挖泥船設計和使用中不容忽視的問題。

4　結語

考慮了抓斗挖泥船水中作業的特殊性，在ANSYS Workbench中仿真得到了水流對于抓斗的阻力作用，選取挖泥船以不同速度挖掘起升的作業工況，在ADAMS中進行動力學仿真，得到了不同速度下臂架鉸點載荷曲線，結果表明起升速度越大動載荷越大，且抓斗出水將造成載荷波動。動載荷的計算為抓斗挖泥船的設計提供了參考依據，考慮水流作用力的仿真方法也為水上設備的仿真研究提供了一種思路。

[1]錢衛星. 挖泥船的分類及其發展趨勢[J]. 江蘇船舶，2008,25(6): 7-9.

[2]肖漢斌,徐長生,陶德馨. 18 m3智能型抓斗挖泥船的研制[J].港口裝卸,2015,(5): 14-16.

[3]安洋,滕儒民,苗明. 全地面起重機臂架動態收縮過程平穩性研究[J].建筑機械, 2015,(4): 76-80.

[4]劉曉峰. 55 t汽車起重機柔性臂架動特性及主動控制研究[D].大連:大連理工大學, 2011.

[5]韓莉莉,許軍輝,寧袆,等. 基于ADAMS/Cable模塊的柔索驅動仿真研究[J].中原工學院學報, 2014,25(6): 1-5.

[6]張營章,張順心,崔少杰,等. 基于ADAMS/Cable的起重機鋼絲繩的仿真分析[J].制造業自動化, 2013,35(7): 10-12.

[7]國家標準局. GB/T3811-2008, 起重機設計規范[S].

[8]宋學官,蔡林,張華. ANSYS流固耦合分析與工程實例[M].北京: 中國水利水電出版社, 2012.

[9]李艷軍. 基于FLUENT和ADAMS的導彈分離聯合仿真分析[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業大學, 2012.

Dynamic Load of Grab Dredger′s Lifting System

Liu YaMiao Ming

School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology

The rigid-flexible coupled model of grab dredger′s lifting system is established by utilizing the Pro/E, ANSYS and ADAMS softwares. The hydraulic load of grab is obtained in the ANSYS Workbench. Finally, a dynamics simulation of grab dredger lifting system is implemented and the impacts of lifting speed on dynamic load are obtained. the results show that the work is useful for the design of grab dredger.

grab dredger; rigid-flexible coupling; hydraulic load; dynamic load

2016-04-06

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.04.005

劉亞： 116024，遼寧省大連市大連理工大學北山學生公寓B區4舍255室