基于Creo/parametric，HyperMesh的裝船機臂架有限元建模

傅旻 程得志

摘要：裝船機用于裝船作業的連續式機械。它與后方皮帶機系統相銜接，是一種高效率的港口裝械作業機械。裝船機高頻率、高負荷的作業狀態，復雜的工況，超大的自重載荷，使得裝船機各種性能尤其是動態性能在很大程度上決定了裝船機的安全、穩定運行的主導因素。

關鍵詞：裝船機;臂架;Creo/parametric;HyperMesh;有限元建模 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP391 文章編號：1009-2374（2016）04-0061-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.04.031

裝船機是將后方輸送機系統輸送來的大宗散貨裝入船艙的連續式專用機械，一般采用電力驅動。裝船機通過尾車機構將裝船機主體和碼頭皮帶機連接。作為現代化的大型裝船設備，裝船機極大地提高了港口煤炭與礦石的裝船效率，對提高港口生產效率具有極其重要的意義。有限元分析軟件在各種大型機械的分析計算中應用越來越廣泛，利用它的技術成熟性保證了對裝船機金屬結構分析計算具有極高的可靠性。在裝船機的設計工程中，根據得到的強度分析結構，在保證結構強度及穩定性的同時，盡量減小裝船機的自重，尋求結構上的優化。以某6000/t裝船機臂架有限元建模進行研究，分析裝船機臂架各種不同載荷及不同工況，建立臂架有限元分析模型，為以后裝船機臂架模型的合理簡化提供了參考。

1 某6000/t裝船機的基本結構

裝船機主要由九大部分組成，包括門架行走機構、俯仰機構、伸縮機構、臂架皮帶式輸送機、卸料溜筒機構、尾車機構及其他附屬設備。其中裝船機臂架前部通過鋼絲繩與塔架連接，后部與塔架的橫梁鉸接，裝船機結構示意圖見圖1：

1.走行機構;2.門架;3.塔架;4.俯仰提升裝置;5.臂架;6.臂架伸縮機構;7.臂架皮帶機;8.溜筒機構;9.尾車

2 臂架載荷和主要工況介紹

2.1 臂架載荷

根據裝船機臂架與其他構件的連接后，裝船機臂架的承載情況、載荷出現的概率和持續時間的長短，臂架載荷加載模式可分為集中載荷和均布載荷。通過必要的載荷簡化，能夠確定作用在臂架上的載荷如表1所示：

2.2 臂架工況

不同的工況，裝船機臂架受力會不同，裝船機臂架的俯仰角度為-12°～+13°，非工作角度為+65.3°;工作風速為20m/s，非工作風速為55m/s。在工作狀態，臂架的伸縮臂伸出最大時，臂架處于水平狀態時力矩最大，是一種不利的工況狀態;在非工作狀態時，若出現暴風，伸縮臂完全縮回到固定臂架中且臂架仰起到非工作角度，并用風鉤將其鎖住，是第二種不利的工況。按照這兩種工況，建立了如表2所示不同的工況情況。

2.3 載荷的確定

2.3.1 均布載荷。臂架自重（固定臂和伸縮臂）通過結構自重輸入桿件的密度，由程序自動計算。工作載荷通過主要設計參數確定，臂架皮帶機的帶速為4.8m/s，轉換為17280m/h，最大裝船能力為6700t/h，可認為每小時有6700t的煤炭平鋪在長度為17280m的皮帶機上，即：

式中：q為單位長度上的工作載荷;L為平鋪的皮帶長度。

臂架皮帶機托輥及皮帶重為了簡化計算，將其作為均布載荷均勻加載到固定臂架和伸縮臂架的總長上。

風載荷分別對工作狀態的風載荷和非工作狀態的風暴風載荷進行計算，風壓與風速的關系為q=0.163×v2，風載荷為：

W=AqCf

式中：A為迎風面積;Cf為風力系數。

2.3.2 集中載荷。根據臂架皮帶機的結構形式，將筒、溜筒重、伸縮驅動機構重及皮帶的驅動裝置按照質量塊的形式加載到其在臂架的相應的安裝位置，鋼絲繩對臂架的作用力、塔架對臂架的作用力均按照集中載荷的形式加載到臂架上。

2.3.3 溜筒物料沖擊載荷。物料在沖擊溜筒拋料板的過程中，會對拋料板產生沖擊。根據動能定理，物料在撞擊拋料板時的垂直速度為，假設物料在撞擊拋料板時沒有能量損失，即物料在撞擊溜筒拋料板后仍舊以水平的速度拋出，并且物料拋出方向在垂直于臂架的平面內，拋料板最大抬起角度為，根據動量定理，可求的拋料板產生的沖擊力T為：

水平方向：

3 創建裝船機臂架有限元模型

裝船機臂架系統主要包括固定臂架、伸縮臂架、伸縮驅動裝置等，伸縮臂架和固定臂架都是有型鋼和鋼板焊接而成的桁架結構。本輪有限元分析只考慮伸縮臂架和固定臂架，將其他部分當作外載荷施加到臂架上。固定臂架在進行三維建模時可以分成六個部分：頂架、底架、左右支撐、前部、后部、其他結構;伸縮臂架可分左右支架、底架。根據前文臂架工況分析知道在臂架0°是臂架受力不利工況之一，主要分析此種工況下臂架的靜動特性。通過Creo/Parametric3.0創建固定臂和伸縮臂三維模型圖，如圖2所示。將固定臂架和伸縮臂架另存為step格式，并導入HyperMesh，如圖3所示。

3.1 臂架的材料屬性

由于臂架鋼結構大多采用鋼板焊接而成，為了提高分析計算速度，在進行有限元分析時主要采用Shell單元建模，然后再給其賦予合適的材料厚度，這樣會減少單元數量，提高計算速度。臂架鋼板主要材料為Q345，輔助材料為Q235，材料屬性見表3：

3.2 臂架抽取中面及各部分連接處理

采用高性能的前處理軟件Hypermesh對固定臂架及伸縮臂架結構進行網格劃分，可以模型網格的快速劃分，同時保證有限元分析的精度。在Hypermesh中建立固定臂架的模型可分為5個collector，名字分別為boom-roof、boom-bottom、boom-left-right-side、boom-front、boom-others，用于存放固定臂架相應組件抽取中面。伸縮臂架的模型可分為2個collector，名字分別為shuttle-left-right side、shuttle-bottom，用于存放伸縮臂架相應組件抽取中面。應用抽取中面命令，分別對固定臂架及伸縮臂架相應的組件抽取中面，將抽取的中面存放在上述定義的相應的component中。固定臂架及伸縮臂架都是有型鋼和鋼板焊接而成的，從固定臂架及伸縮臂架整體上考慮應力集中的地方，可以對構件連接的失效處暫時不予考慮。將固定臂架及伸縮臂架單獨看成兩個整體部件。在Hypermesh中對抽取的固定臂架及伸縮臂架的中面進行extend surf處理，以固定臂架為例，伸縮臂架采取同樣方法處理，其中固定臂架的處理效果如圖4所示：

3.3 網格的劃分及單元類型的選擇

綜合考慮臂架各個部分的結構形式和受力的不同情況，在建立臂架有限元分析模型時，固定臂、伸縮臂及加強筋板等用SHELL63來模擬、固定臂及伸縮臂中橫梁用beam188來模擬。以固定臂架為例進行網格劃分，因固定臂架整體結構較規整，劃分網格大小為200，采用混合單元類型、自動式劃分，固定臂架網格劃分如圖5所示。

3.4 相應單元賦值

為了方便固定臂架及伸縮臂架中具有相同屬性及參數單元賦值和管理，利用HyperMesh中的organiz選項進行統一的管理，將固定臂架及伸縮臂架中參數不同的單元放入到不同的component中，這樣能夠將屬性、參數相同的單元賦值。

4 結語

（1）對裝船機的臂架結構所受載荷類型歸納總結，為后續利用有限元分析軟件進行分析處理提供數據;（2）通過Creo/parametric及HyperMesh軟件能夠快速建立裝船機臂架三維模型;（3）通過HyperMesh軟件對固定臂架及伸縮臂架有限元模型創建，利用整體構件替代焊點模擬的方式，為裝船機臂架初期的設計提供了快速便捷的方式，便于以后最終確定方案。

參考文獻

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[4] 剛靈，尹明德.基于Pro/E，HyperMesh的客車車身骨架的有限元建模[J].機械制造與自動化，2010，（4）.

（責任編輯：陳 潔）