基于ANSYS對(duì)連續(xù)卸船機(jī)海運(yùn)分析

車路

（大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司港口機(jī)械設(shè)計(jì)院，遼寧 大連 116013）

0 引言

連續(xù)卸船機(jī)由于是封閉輸送物料，其具有良好的環(huán)保性能，同時(shí)其卸船效率高、能耗低、對(duì)環(huán)境污染小，成為國(guó)內(nèi)外大型散貨港口碼頭引領(lǐng)發(fā)展的重要核心設(shè)備，正逐步進(jìn)入追求高效率的碼頭[1]。而隨著港口規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)連續(xù)卸船機(jī)的卸載效率和輸送能力要求越來(lái)越高[2]，同時(shí)，國(guó)內(nèi)連續(xù)卸船機(jī)的主要制造商均在研制大型鏈斗式連續(xù)卸船機(jī)，普遍采用海運(yùn)的方式進(jìn)行整機(jī)發(fā)運(yùn)，在此過程中需進(jìn)行各種安全計(jì)算，確保設(shè)備安全[3]。本文旨在應(yīng)用ANSYS對(duì)連續(xù)卸船機(jī)海運(yùn)進(jìn)行分析，希望得到一種可靠的方法來(lái)對(duì)連續(xù)卸船機(jī)海運(yùn)結(jié)構(gòu)承載狀態(tài)進(jìn)行研究。

1 連續(xù)卸船機(jī)的工作原理

連續(xù)卸船機(jī)是一種應(yīng)用在散料碼頭的卸船設(shè)備，通過布置在封閉鏈條的鏈斗，經(jīng)過鏈條傳動(dòng)系統(tǒng)，使得鏈斗從船艙中連續(xù)挖取物料并且提升，物料提升至最頂端后拋卸至中轉(zhuǎn)裝置盤式給料機(jī)構(gòu)，再通過給料機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)，由溜槽轉(zhuǎn)載到臂架中的帶式輸送機(jī)，再通過中心溜槽的多級(jí)折返后轉(zhuǎn)送到給料皮帶機(jī)上，最后輸送到地面帶式輸送機(jī)上[4]，實(shí)現(xiàn)將散貨從散貨船上接卸并轉(zhuǎn)運(yùn)到碼頭帶式輸送機(jī)上。

2 ANSYS模型建立

現(xiàn)以某連續(xù)卸船機(jī)的主要參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，設(shè)計(jì)卸載能力為3600 t/h，臂架變幅角度為36°/-13°，臂架回轉(zhuǎn)角度為±120°，臂架回轉(zhuǎn)半徑為53 m，卸載船型號(hào)為300000DWT，卸載貨物為鐵礦石。

2.1 材料及單元類型

連續(xù)卸船機(jī)使用的結(jié)構(gòu)材料主要為Q355及SM570。模型中，有限元計(jì)算時(shí)設(shè)置的材料屬性泊松比為0.3，彈性模量為2.06×105MPa。按照設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式等效分析，有限元模型中采用下列單元類型：Shell181 板單元、beam188梁?jiǎn)卧ass21質(zhì)量單元[5-6]。

圖1 連續(xù)卸船機(jī)組成示意圖

2.2 約束

根據(jù)實(shí)際連接情況，鏈斗式連續(xù)卸船機(jī)的提升筒體與頂部結(jié)構(gòu)之間為螺栓連接，在提升筒體和頂部結(jié)構(gòu)的連接處加耦合約束；各鉸點(diǎn)之間的連接采用剛性區(qū)域處理，如主梁與陸側(cè)支腿連接處，回轉(zhuǎn)架與平衡梁連接處，回轉(zhuǎn)架和臂架連接處，臂架和頂部鋼結(jié)構(gòu)連接處，頂部結(jié)構(gòu)與平衡梁結(jié)構(gòu)連接處；4個(gè)支腿根部采用全位移約束；在取料頭底部、臂架前端支撐處施加位移約束。

3 海運(yùn)工況有限元計(jì)算

3.1 海運(yùn)工況1

臂架向上俯仰6°，船體橫搖12°，縱搖5°，豎直方向加速度為5 m/s2，重力加速度為9.8 m/s2。由于存在橫搖和縱搖角度，將加速度分解到有限元模型設(shè)置的結(jié)構(gòu)本身的X、Y、Z方向，分別為0.84、2.03、14.73 m/s2，并施加到整體模型上。卸船機(jī)的自重，除配重不施加以外，其他載荷均按空載工況施加。風(fēng)速為26 m/s，以面載荷方式施加在整機(jī)側(cè)面。

整體位移、應(yīng)力云圖分別如圖2、圖3所示。忽略應(yīng)力集中情況，各結(jié)構(gòu)部件的應(yīng)力匯總見表1。

表1 卸船機(jī)海運(yùn)工況1有限元計(jì)算結(jié)果匯總表

圖2 整體位移云圖

圖3 整體應(yīng)力云圖

最大位移出現(xiàn)在平衡梁左側(cè)拉桿處，最大位移為127.0 mm。最大應(yīng)力出現(xiàn)在陸側(cè)支腿與主梁連接處，最大應(yīng)力為251.7 MPa。計(jì)算應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。

3.2 海運(yùn)工況2

僅考慮船體橫搖12°，其余條件與海運(yùn)工況1一致，總加速度按模型自身的X、Y、Z方向分解，分別為0、2.04、14.59 m/s2，并施加到整體模型上。

整體位移、應(yīng)力云圖如圖4、圖5所示。忽略應(yīng)力集中情況，各結(jié)構(gòu)部件的應(yīng)力匯總?cè)绫?所示。

表2 卸船機(jī)海運(yùn)工況2有限元計(jì)算結(jié)果匯總表

圖4 整體位移云圖

圖5 整體應(yīng)力云圖

最大位移出現(xiàn)在平衡梁左右拉桿處，最大位移為129.7 mm。最大應(yīng)力出現(xiàn)在陸側(cè)支腿與主梁連接處，最大應(yīng)力為261.1 MPa。計(jì)算應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。

3.3 海運(yùn)工況3

僅考慮船體縱搖5°，其余條件與海運(yùn)工況1一致，將總加速度分解到模型自身的X、Y、Z方向，分別為0.85、0、14.76 m/s2，并施加到整體模型上。

整體位移、應(yīng)力云圖分別如圖6、圖7所示。忽略應(yīng)力集中情況，各結(jié)構(gòu)部件的應(yīng)力匯總?cè)绫?所示。

表3 卸船機(jī)海運(yùn)工況3有限元計(jì)算結(jié)果匯總表

圖6 整體位移云圖

圖7 整體應(yīng)力云圖

最大位移出現(xiàn)在平衡梁左右拉桿處，最大位移為116.0 mm。最大應(yīng)力出現(xiàn)在臂架與頂部結(jié)構(gòu)連接處，最大應(yīng)力為209.8 MPa。計(jì)算應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。

由圖3、圖5、圖7可以得出，3種工況中，僅考慮船體橫搖12°時(shí)應(yīng)力最大，但應(yīng)力在許用范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)符合要求。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)連續(xù)卸船機(jī)工作原理的分析，應(yīng)用ANSYS建立連續(xù)卸船機(jī)有限元模型，并對(duì)設(shè)備海運(yùn)狀態(tài)進(jìn)行分析，得出各機(jī)械結(jié)構(gòu)在不同海況下的位移及應(yīng)力值，為大型機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)輸過程中的力學(xué)分析提供了一種可行性分析方法，為連續(xù)卸船機(jī)海運(yùn)的設(shè)計(jì)、計(jì)算及加固提供了理論依據(jù)。