基于ANSYS對連續卸船機海運分析

車路

（大連華銳重工集團股份有限公司港口機械設計院，遼寧 大連 116013）

0 引言

連續卸船機由于是封閉輸送物料，其具有良好的環保性能，同時其卸船效率高、能耗低、對環境污染小，成為國內外大型散貨港口碼頭引領發展的重要核心設備，正逐步進入追求高效率的碼頭[1]。而隨著港口規模的不斷擴大，對連續卸船機的卸載效率和輸送能力要求越來越高[2]，同時，國內連續卸船機的主要制造商均在研制大型鏈斗式連續卸船機，普遍采用海運的方式進行整機發運，在此過程中需進行各種安全計算，確保設備安全[3]。本文旨在應用ANSYS對連續卸船機海運進行分析，希望得到一種可靠的方法來對連續卸船機海運結構承載狀態進行研究。

1 連續卸船機的工作原理

連續卸船機是一種應用在散料碼頭的卸船設備，通過布置在封閉鏈條的鏈斗，經過鏈條傳動系統，使得鏈斗從船艙中連續挖取物料并且提升，物料提升至最頂端后拋卸至中轉裝置盤式給料機構，再通過給料機構的回轉，由溜槽轉載到臂架中的帶式輸送機，再通過中心溜槽的多級折返后轉送到給料皮帶機上，最后輸送到地面帶式輸送機上[4]，實現將散貨從散貨船上接卸并轉運到碼頭帶式輸送機上。

2 ANSYS模型建立

現以某連續卸船機的主要參數進行分析計算，設計卸載能力為3600 t/h，臂架變幅角度為36°/-13°，臂架回轉角度為±120°，臂架回轉半徑為53 m，卸載船型號為300000DWT，卸載貨物為鐵礦石。

2.1 材料及單元類型

連續卸船機使用的結構材料主要為Q355及SM570。模型中，有限元計算時設置的材料屬性泊松比為0.3，彈性模量為2.06×105MPa。按照設計結構形式等效分析，有限元模型中采用下列單元類型：Shell181 板單元、beam188梁單元、mass21質量單元[5-6]。

圖1 連續卸船機組成示意圖

2.2 約束

根據實際連接情況，鏈斗式連續卸船機的提升筒體與頂部結構之間為螺栓連接，在提升筒體和頂部結構的連接處加耦合約束；各鉸點之間的連接采用剛性區域處理，如主梁與陸側支腿連接處，回轉架與平衡梁連接處，回轉架和臂架連接處，臂架和頂部鋼結構連接處，頂部結構與平衡梁結構連接處；4個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 海運工況有限元計算

3.1 海運工況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置的結構本身的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。卸船機的自重，除配重不施加以外，其他載荷均按空載工況施加。風速為26 m/s，以面載荷方式施加在整機側面。

整體位移、應力云圖分別如圖2、圖3所示。忽略應力集中情況，各結構部件的應力匯總見表1。

表1 卸船機海運工況1有限元計算結果匯總表

圖2 整體位移云圖

圖3 整體應力云圖

最大位移出現在平衡梁左側拉桿處，最大位移為127.0 mm。最大應力出現在陸側支腿與主梁連接處，最大應力為251.7 MPa。計算應力在許用應力范圍內。

3.2 海運工況2

僅考慮船體橫搖12°，其余條件與海運工況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、應力云圖如圖4、圖5所示。忽略應力集中情況，各結構部件的應力匯總如表2所示。

表2 卸船機海運工況2有限元計算結果匯總表

圖4 整體位移云圖

圖5 整體應力云圖

最大位移出現在平衡梁左右拉桿處，最大位移為129.7 mm。最大應力出現在陸側支腿與主梁連接處，最大應力為261.1 MPa。計算應力在許用應力范圍內。

3.3 海運工況3

僅考慮船體縱搖5°，其余條件與海運工況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、應力云圖分別如圖6、圖7所示。忽略應力集中情況，各結構部件的應力匯總如表3所示。

表3 卸船機海運工況3有限元計算結果匯總表

圖6 整體位移云圖

圖7 整體應力云圖

最大位移出現在平衡梁左右拉桿處，最大位移為116.0 mm。最大應力出現在臂架與頂部結構連接處，最大應力為209.8 MPa。計算應力在許用應力范圍內。

由圖3、圖5、圖7可以得出，3種工況中，僅考慮船體橫搖12°時應力最大，但應力在許用范圍之內，結構符合要求。

4 結論

本文通過對連續卸船機工作原理的分析，應用ANSYS建立連續卸船機有限元模型，并對設備海運狀態進行分析，得出各機械結構在不同海況下的位移及應力值，為大型機械結構的運輸過程中的力學分析提供了一種可行性分析方法，為連續卸船機海運的設計、計算及加固提供了理論依據。