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摘 要：以Pro/E为平台，建立了卸船机悬臂梁的三维实体模型，将其以IGES格式导入大型通用有限元软件ANSYS中，选择合适的单元类型，建立卸船机悬臂梁的有限元模型，并根据实际工况对该模型进行静力结构分析和模态分析。
关键词：卸船机； 悬臂梁； 有限元分析
The Finite Element Analysis of the Cantilever of Ship Unloaders Based on the ANSYS
Yin Dehui1 Li Jianguang2 Liu Bojun2 Wang Mingang2 Cui Yongxiang2
（1.The NETCO of Hebei Port Group，Qinhuangdao，066001 2.Shenhua Huanghua Port Service Co.，Ltd，Cangzhou 061113）
Abstract： Taking Pro/E as the platform， the paper establishes three-dimensional solid models of the cantilever of the ship unloaders.Then the solid model converted the format of IGES is imported into ANSYS which is a large and commonly used finite element software ，and build finite element model of he cantilever of the ship unloaders in suitable element type.This paper describes the structural static analysis and dynamic analysis performed on the model using the actual working load.
Keywords：Ship Unloaders； Cantilever；Finite Element Analysis
0 引言
卸船机是码头前沿的重要接卸设备，是卸船系统中的重要角色，为了提高停靠码头的船舶吨位和卸船系统的效率，各大码头均选用高效、可靠的卸船机[1]。悬链式链斗卸船机，它是一种专用于卸大宗散货的连续式卸船机械。适用于大落差水位内河码头以及海港码头的卸船作业。该设备由其移船机构（定机移船）、链斗机构、提升机构、小车横移机构、挖掘机构、旋转机构等组成[2]。 本文将这些工况，以载荷形式加载到有限元模型中，本文依照有限元软件ANSYS，按照该软件的操作方式将会把卸船机悬臂梁的结构特点和载荷方式在有限元计算中的结构分析得到相应的计算模式和计算结果[3]。
1. 卸船机悬臂梁所承受的载荷及加载方式的确定
卸船机的作业模式，即卸船机的主要动作为行走或者依靠船舶移动、旋转、变幅等动作实现取料、提升、水平运动等所需的卸船作业动作。在这些动作的作用下，卸船机与物料发生相互作用，实现物料的转移。本文主要针对卸船机的悬臂梁进行结构分析和模态分析，以确定卸船机的应力分布情况和振动频率，防止在发生轻度破坏和共振。在卸船机转移物料的同时，物料及卸船机自身的惯性力等因素也给卸船机造成了一定的载荷，使得其结构受到一定的影响，在分析卸船机的结构特征之前，确定卸船机的载荷是必要的也是关键的。
卸船机悬臂梁所受到的载荷主要来自以下几个方面：悬臂梁本身的自重，起升载荷，积垢载荷，横移链斗重量，运输载荷，挖掘阻力，侧向风载荷。本文所考虑的卸船机的工况为：工况一，起升载荷、积垢载荷、横移链斗重量集中力作用于驳船中心位置；工况二，起升载荷、积垢载荷、横移链斗重量集中力作用于悬臂梁前端。这两种工况下卸船机悬臂梁的应力分布属于卸船作业时的极限情况，考虑到这两种情况，其它工况下卸船机悬臂梁的应力分布情况可以认为是在这两种情况下的中间分布状态，只要这两种情况下，卸船机悬臂梁的应力分布都满足强度需求就可以认为装船机悬臂梁的强度满足需求。其中悬臂梁的自重为544.9KN。起升载荷+积垢载荷+横移链斗重量：31.5+20+370KN；作用点根据工况决定。运输载荷：直皮带机载荷138.5KN+斜皮带机载荷67.8KN，按集中力方式施加于皮带机前、后吊点。挖掘阻力：20KN，按集中力方式施加于悬臂梁横移链斗位置水平方向。风载荷（侧面来风）：250N/m2，作用于悬臂梁侧面。
2. 悬臂梁三维模型的建立及有限元网格的划分
本文是利用大型三维绘图软件Pro/E，根据卸船机悬臂梁的实际模型进行1：1简历模型，以期望最大程度上反映卸船机的真实受力情况。本文所分析的卸船机为悬链斗卸船机，型号为XLJ600，效率为600T/H，可卸船型为1万吨以下甲板驳船。在Pro/E软件中建立卸船机悬臂梁的三维实体模型，将其导入大型通用有限元分析软件ANSYS中，进行网格划分。对于角钢、H型钢等桁架结构零件采用beam44型单元划分，箱型量采用板桥单元shell63型单元进行划分。网格划分原则，既要保证网格划分的密度以保证计算精度，又要在保证计算精度的前提下，网格不要划分的过分细小以节省节省资源。划分完网格的有限元模型图如图1所示。卸船机的悬臂梁所采用的材料为Q235，其弹性模量为2.1×1011，泊泊松比为0.274。
3. 有限元计算结果
在有限元分析软件ANSYS中，将步骤1的载荷加载到步骤2的有限元模型上，得出计算结果。在工况一载荷作用下，卸船机的有限元计算结果如图2、3、4所示。在工况一载荷条件下，卸船机悬臂梁的综合变形云图如图2所示。从云图可以得出，最大的变形为32.194mm，位于悬臂梁的前端；最小的变形为2.419mm，位于悬臂梁的后端。整个卸船机悬臂梁的变形分布规律为，靠前端部分呈变形较大状态分布，考后端部分呈变形较小部分分布。卸船机悬臂梁的Von Mises应力分布云图如图3所示。由图3得知，应力最大点为324MPa，呈红色显示，该区域面积很小，仅有几处出现；应力最小处为0.004MPa，呈蓝色显示，该颜色的区域面积比较大，几乎可以看出大部分区域的应力值比较低，其中只有桁架结构的交点部分才会有较高的应力分布，其余部分的应力值均比较低。应力集中部分的放大图如图4所示，可以看出，这部分的区域面积及其小，又由于塑性材料会通过塑性变形将这一应力集中处的应力缓解掉。从图4可以看出，即使应力较大处的应力值也可以认为其应力值主要分布在100MPa左右。
在工况二载荷条件下，卸船机悬臂梁的综合变形云图如图5所示。从图5可以得出，最大的变形为46.7mm，位于悬臂梁的前端；最小的变形为2.539mm，位于悬臂梁的后端。总体变形规律与工况一条件下的总体变形规律形同。卸船机悬臂梁的Von Mises应力分布云图如图6所示。由图6得知，应力最大点为329MPa，呈红色显示，该区域面积很小，仅有几处出现；应力最小处为0.00369MPa，呈浅蓝色显示，该颜色的区域面积比较大，几乎可以看出大部分区域的应力值比较低，其中只有桁架结构的交点部分才会有较高的应力分布，其余部分的应力值均比较低。应力集中部分的放大图如图7所示。从图7可以看出，即使应力较大处的应力值也可以认为其应力值主要分布在130MPa左右。应力的总体分布规律与工况一条件下的变形规律形同，工况二条件下的应力值均高于工况一条件下的。
对卸船机悬臂梁进行模态分析。模型依然按照之前做应力分析的有限元模型，输入Q235的密度，ρ=7850Kg/m3，对卸船机悬臂梁进行模态分析。依据模态分析，提取分析结果。一阶模态频率FRQ1：0.031020；二阶模态频率FRQ2：0.080801；三阶模态频率FRQ3：0.17127；四阶模态频率FRQ4：0.19198；五阶模态频率FRQ5：0.19553。
4. 结论
本文在材料及工艺质量得到保障的前提下，忽略制造及安装过程中的一些随机因素，针对卸船机悬臂梁的结构特征及受力特点进行应力计总变形分析，得出两种极限工况下卸船机悬臂梁的最大总变形为47mm，位于悬臂梁前段；最大局部应力为328MPa，位于悬臂梁左悬吊点处，除了该点外，其它位置的应力值均小于170MPa，满足Q235的要求。悬臂梁的自由频率也在海风频率之外，不会有共振现象发生。综上所述，所设计的卸船机悬臂梁满足结构要求。
参考文献：
[1]彭传胜， 范翠玉. 桥式抓斗卸船机的新发展[J]. 港口装卸， 1999（03）：7-13.
[2]黄建生，詹伟钢，覃坤. 悬链式链斗卸船机移船机构改造与应用[C].2010年全国机械装备先进制造高峰论坛论文汇编，2010，34-34.
[3]张朝晖. ANSYS12.0结构分析工程应用实例解析[M].北京：机械工业出版社出版社，2010，第3版.
关键词：卸船机； 悬臂梁； 有限元分析
The Finite Element Analysis of the Cantilever of Ship Unloaders Based on the ANSYS
Yin Dehui1 Li Jianguang2 Liu Bojun2 Wang Mingang2 Cui Yongxiang2
（1.The NETCO of Hebei Port Group，Qinhuangdao，066001 2.Shenhua Huanghua Port Service Co.，Ltd，Cangzhou 061113）
Abstract： Taking Pro/E as the platform， the paper establishes three-dimensional solid models of the cantilever of the ship unloaders.Then the solid model converted the format of IGES is imported into ANSYS which is a large and commonly used finite element software ，and build finite element model of he cantilever of the ship unloaders in suitable element type.This paper describes the structural static analysis and dynamic analysis performed on the model using the actual working load.
Keywords：Ship Unloaders； Cantilever；Finite Element Analysis
0 引言
卸船机是码头前沿的重要接卸设备，是卸船系统中的重要角色，为了提高停靠码头的船舶吨位和卸船系统的效率，各大码头均选用高效、可靠的卸船机[1]。悬链式链斗卸船机，它是一种专用于卸大宗散货的连续式卸船机械。适用于大落差水位内河码头以及海港码头的卸船作业。该设备由其移船机构（定机移船）、链斗机构、提升机构、小车横移机构、挖掘机构、旋转机构等组成[2]。 本文将这些工况，以载荷形式加载到有限元模型中，本文依照有限元软件ANSYS，按照该软件的操作方式将会把卸船机悬臂梁的结构特点和载荷方式在有限元计算中的结构分析得到相应的计算模式和计算结果[3]。
1. 卸船机悬臂梁所承受的载荷及加载方式的确定
卸船机的作业模式，即卸船机的主要动作为行走或者依靠船舶移动、旋转、变幅等动作实现取料、提升、水平运动等所需的卸船作业动作。在这些动作的作用下，卸船机与物料发生相互作用，实现物料的转移。本文主要针对卸船机的悬臂梁进行结构分析和模态分析，以确定卸船机的应力分布情况和振动频率，防止在发生轻度破坏和共振。在卸船机转移物料的同时，物料及卸船机自身的惯性力等因素也给卸船机造成了一定的载荷，使得其结构受到一定的影响，在分析卸船机的结构特征之前，确定卸船机的载荷是必要的也是关键的。
卸船机悬臂梁所受到的载荷主要来自以下几个方面：悬臂梁本身的自重，起升载荷，积垢载荷，横移链斗重量，运输载荷，挖掘阻力，侧向风载荷。本文所考虑的卸船机的工况为：工况一，起升载荷、积垢载荷、横移链斗重量集中力作用于驳船中心位置；工况二，起升载荷、积垢载荷、横移链斗重量集中力作用于悬臂梁前端。这两种工况下卸船机悬臂梁的应力分布属于卸船作业时的极限情况，考虑到这两种情况，其它工况下卸船机悬臂梁的应力分布情况可以认为是在这两种情况下的中间分布状态，只要这两种情况下，卸船机悬臂梁的应力分布都满足强度需求就可以认为装船机悬臂梁的强度满足需求。其中悬臂梁的自重为544.9KN。起升载荷+积垢载荷+横移链斗重量：31.5+20+370KN；作用点根据工况决定。运输载荷：直皮带机载荷138.5KN+斜皮带机载荷67.8KN，按集中力方式施加于皮带机前、后吊点。挖掘阻力：20KN，按集中力方式施加于悬臂梁横移链斗位置水平方向。风载荷（侧面来风）：250N/m2，作用于悬臂梁侧面。
2. 悬臂梁三维模型的建立及有限元网格的划分
本文是利用大型三维绘图软件Pro/E，根据卸船机悬臂梁的实际模型进行1：1简历模型，以期望最大程度上反映卸船机的真实受力情况。本文所分析的卸船机为悬链斗卸船机，型号为XLJ600，效率为600T/H，可卸船型为1万吨以下甲板驳船。在Pro/E软件中建立卸船机悬臂梁的三维实体模型，将其导入大型通用有限元分析软件ANSYS中，进行网格划分。对于角钢、H型钢等桁架结构零件采用beam44型单元划分，箱型量采用板桥单元shell63型单元进行划分。网格划分原则，既要保证网格划分的密度以保证计算精度，又要在保证计算精度的前提下，网格不要划分的过分细小以节省节省资源。划分完网格的有限元模型图如图1所示。卸船机的悬臂梁所采用的材料为Q235，其弹性模量为2.1×1011，泊泊松比为0.274。
3. 有限元计算结果
在有限元分析软件ANSYS中，将步骤1的载荷加载到步骤2的有限元模型上，得出计算结果。在工况一载荷作用下，卸船机的有限元计算结果如图2、3、4所示。在工况一载荷条件下，卸船机悬臂梁的综合变形云图如图2所示。从云图可以得出，最大的变形为32.194mm，位于悬臂梁的前端；最小的变形为2.419mm，位于悬臂梁的后端。整个卸船机悬臂梁的变形分布规律为，靠前端部分呈变形较大状态分布，考后端部分呈变形较小部分分布。卸船机悬臂梁的Von Mises应力分布云图如图3所示。由图3得知，应力最大点为324MPa，呈红色显示，该区域面积很小，仅有几处出现；应力最小处为0.004MPa，呈蓝色显示，该颜色的区域面积比较大，几乎可以看出大部分区域的应力值比较低，其中只有桁架结构的交点部分才会有较高的应力分布，其余部分的应力值均比较低。应力集中部分的放大图如图4所示，可以看出，这部分的区域面积及其小，又由于塑性材料会通过塑性变形将这一应力集中处的应力缓解掉。从图4可以看出，即使应力较大处的应力值也可以认为其应力值主要分布在100MPa左右。
在工况二载荷条件下，卸船机悬臂梁的综合变形云图如图5所示。从图5可以得出，最大的变形为46.7mm，位于悬臂梁的前端；最小的变形为2.539mm，位于悬臂梁的后端。总体变形规律与工况一条件下的总体变形规律形同。卸船机悬臂梁的Von Mises应力分布云图如图6所示。由图6得知，应力最大点为329MPa，呈红色显示，该区域面积很小，仅有几处出现；应力最小处为0.00369MPa，呈浅蓝色显示，该颜色的区域面积比较大，几乎可以看出大部分区域的应力值比较低，其中只有桁架结构的交点部分才会有较高的应力分布，其余部分的应力值均比较低。应力集中部分的放大图如图7所示。从图7可以看出，即使应力较大处的应力值也可以认为其应力值主要分布在130MPa左右。应力的总体分布规律与工况一条件下的变形规律形同，工况二条件下的应力值均高于工况一条件下的。
对卸船机悬臂梁进行模态分析。模型依然按照之前做应力分析的有限元模型，输入Q235的密度，ρ=7850Kg/m3，对卸船机悬臂梁进行模态分析。依据模态分析，提取分析结果。一阶模态频率FRQ1：0.031020；二阶模态频率FRQ2：0.080801；三阶模态频率FRQ3：0.17127；四阶模态频率FRQ4：0.19198；五阶模态频率FRQ5：0.19553。
4. 结论
本文在材料及工艺质量得到保障的前提下，忽略制造及安装过程中的一些随机因素，针对卸船机悬臂梁的结构特征及受力特点进行应力计总变形分析，得出两种极限工况下卸船机悬臂梁的最大总变形为47mm，位于悬臂梁前段；最大局部应力为328MPa，位于悬臂梁左悬吊点处，除了该点外，其它位置的应力值均小于170MPa，满足Q235的要求。悬臂梁的自由频率也在海风频率之外，不会有共振现象发生。综上所述，所设计的卸船机悬臂梁满足结构要求。
参考文献：
[1]彭传胜， 范翠玉. 桥式抓斗卸船机的新发展[J]. 港口装卸， 1999（03）：7-13.
[2]黄建生，詹伟钢，覃坤. 悬链式链斗卸船机移船机构改造与应用[C].2010年全国机械装备先进制造高峰论坛论文汇编，2010，34-34.
[3]张朝晖. ANSYS12.0结构分析工程应用实例解析[M].北京：机械工业出版社出版社，2010，第3版.