摘要:新型全回转6000t/h装船机因适应船型多而倍受重视。介绍了利用有限元软件ANSYS对整机建模，并求解其应力和位移水平分析了载荷组合。
关键词:装船机 金属结构 分析 有限元 ANSYS
1.引言
为了满足船舶逐步大型化发展的需要及装船工艺方面少机头布置的要求，进一步提高装船效率，装船机正向大型化和高效化方向发展。新型全回转6000t/h装船机由于适应船型多，可两侧装船灵活性强而倍受重视。
大型化和高效化的设计理念同时也使装船机的整机结构趋于庞大、复杂，使结构可靠性分析的难度也大大提高，利用传统方法求解问题的封闭解已不再可能，此时，利用有限元方法来求解问题的数值近似解将是解决问题的一个可行方案。
本文通过对装船机的力学特性分析，对其进行简化，建立其金属结构的有限元模型，对该模型进行计算，求解其应力和位移。进而分析各种载荷所引起的应力、位移，以及不同工况下装船机的应力水平，以期对装船机金属结构的静力学特性有一个整体把握。
2.有限元模型的建立
2.1整机模型
由于该型装船机的主要结构是通过箱型梁、工字钢、管等杆件构成，类似由梁单元组成的空间框架(Frame)，以传递垂直于杆件方向的力为主;对于机器房、电气房、滑轮组等部件，就结构而言，其作用可以近似看作集中在某个节点上的集中质量，可以简化为质量单元;对于钢丝绳，由于只受到沿其轴向的拉力，不存在垂直于轴向的力，符合杆单元的假设条件[2]，因此可以按照杆单元进行简化。所以，在ANSYS10.0建立装船机整机模型(如图1所示)时，选用以下3种类型的单元:
1)梁单元BEAM188，该单元为2节点的三维梁单元，具有拉伸、压缩、扭转、弯曲能力。其主要参数包括截面形状特征和材料属性。在整机建模中，梁单元用以描述整机的主要钢结构件。
2)质量单元MASS21，其主要参数为实常数，用于表达该点的质量。在整机建模中，质量单元用以描述装船机的机器房、电气房、滑轮组等可简化为集中质量的构件。
3)连杆单元LINK8，为三维连杆单元。其主要参数包括材料属性和实常数，用以表达连杆的质量、截面面积、预紧力等信息，可用于建立钢丝绳的力学模型。
在建立臂架处于水平位置并垂直于大车导轨时结构的模型的基础上，经过适当的平移和旋转，可以获得不同工况的有限元整机模型，以模拟装船机不同位置上的工作状况。
2.2载荷计算
对于整机加载，主要依据《欧洲起重机械设计规范 F.E.M标准》，并根据实际工况进行组合，其主要载荷包括:
1)质量载荷G:分为自重载荷、物料载荷和积垢载荷。
其中，自重载荷为装船机最主要的载荷形式，可通过调整不同部件的密度，再添加重力加速度的方式进行添加。具体方法是:根据构件几何形状、质量特点建立有限元模型，获取其体积信息，根据设计质量，计算各部件材料密度，分部件确认各部分的质量。如此，可近似地反映整机的质量分布状况。最后，在整机模型上加上重力加速度，进行求解。对于配重、机器房、电气房、滑轮组等集中质量，则根据载荷实际的布置位置，以质量点的方式添加到模型之中。
2)头部积料载荷:
对于头部积料，是考虑送料机构出现故障，在臂架最外端出现物料堵塞的状况。按照设计规范，取物料质量为堵转积料的质量，作为集中重量添加在臂架头部。
3)大车惯性载荷kr:
由于整机质量较大，一个很小的加速度也会产生很大惯性力，故需对此惯性载荷给予考虑。添加方式为:大车全速前进，经6s车速制动到零，计算加速度。在建模时以加速度形式作用在结构上。
4)臂架惯性载荷kb:
由于上部结构质量较大，一个很小的角加速度也会产生较大的扭矩，故需对此惯性载荷给予考虑。添加方式为:臂架全速旋转，经6s转速制动到零，计算角加速度。在建模时以角加速度形式作用在结构上。
5)大车偏斜运行侧向力S:
因风力和惯性力会引起的大车对铁轨的垂直方向的作用，故需考虑机械运行所引起的反作用力，根据轨距P和平衡梁基距 之比，选取合适的系数 ，并计算大车偏斜力。
6)溜筒物料冲击载荷T:
物料在撞击溜筒抛料板的过程中，会对抛料板产生冲击。
根据动能定理，物料在撞击抛料板时的垂直速度为:
1/2mv12=mgH;
假设物料在撞击抛料板时没有能量损失，即物料在撞击溜筒抛物板后仍旧以水平的速度 1抛出，并且物料抛出方向在垂直于臂架的平面内，取抛料板最大抬起角度 0，则根据动量定理，对抛料板产生的冲击力T为:
水平方向:
垂直方向:
其中:
Q 皮带机最大流量
H 溜筒中物料最大下降高度
7)风载荷W:
由于装船机整机结构高大，受风面积较大，特别是在非工作暴风状态下，由于风速较高，相应的风压也会更为显著地影响装船机的应力和位移水平。分别对工作状态风载荷和非工作暴风风载荷进行计算，其风速分别为:
风压q与风速 的关系为:
q=0.613 2
工作状态最大风速:凡=m/s，风压: q1=250/m2
非工作状态最大风速:v0=55m/s，风压:qo=1890.625N/m2
实际加载时，将风荷载折合为作用在梁单元单位长度上的压力，即:
q'=Cf q h
其中:h 梁在迎风面的高度;q 风压。
8)地震载荷Q
为校核地震对整机结构的影响，需要对模型添加地震载荷。地震载荷作为加速度以等效静态载荷的形式加载。地震载荷描述为: Q=0.1 g=0.98m/s2，以沿轨道方向和垂直轨道方向，分别加载到模型上。
9)载荷系数 c:
按规范，根据整机工作级别，应选取合适的增大系数。
归一化后的载荷状况见表1，表格中，按照载荷最小值对各种载荷进行归一化处理。
可见，在各种载荷中，自重载荷为其最主要的载荷形式。
表1 归一化的载荷状况数据