基于ANSYS对连续卸船机海运分析

车路

（大连华锐重工集团股份有限公司港口机械设计院，辽宁 大连 116013）

0 引言

连续卸船机由于是封闭输送物料，其具有良好的环保性能，同时其卸船效率高、能耗低、对环境污染小，成为国内外大型散货港口码头引领发展的重要核心设备，正逐步进入追求高效率的码头[1]。而随着港口规模的不断扩大，对连续卸船机的卸载效率和输送能力要求越来越高[2]，同时，国内连续卸船机的主要制造商均在研制大型链斗式连续卸船机，普遍采用海运的方式进行整机发运，在此过程中需进行各种安全计算，确保设备安全[3]。本文旨在应用ANSYS对连续卸船机海运进行分析，希望得到一种可靠的方法来对连续卸船机海运结构承载状态进行研究。

1 连续卸船机的工作原理

连续卸船机是一种应用在散料码头的卸船设备，通过布置在封闭链条的链斗，经过链条传动系统，使得链斗从船舱中连续挖取物料并且提升，物料提升至最顶端后抛卸至中转装置盘式给料机构，再通过给料机构的回转，由溜槽转载到臂架中的带式输送机，再通过中心溜槽的多级折返后转送到给料皮带机上，最后输送到地面带式输送机上[4]，实现将散货从散货船上接卸并转运到码头带式输送机上。

2 ANSYS模型建立

现以某连续卸船机的主要参数进行分析计算，设计卸载能力为3600 t/h，臂架变幅角度为36°/-13°，臂架回转角度为±120°，臂架回转半径为53 m，卸载船型号为300000DWT，卸载货物为铁矿石。

2.1 材料及单元类型

连续卸船机使用的结构材料主要为Q355及SM570。模型中，有限元计算时设置的材料属性泊松比为0.3，弹性模量为2.06×105MPa。按照设计结构形式等效分析，有限元模型中采用下列单元类型：Shell181 板单元、beam188梁单元、mass21质量单元[5-6]。

图1 连续卸船机组成示意图

2.2 约束

根据实际连接情况，链斗式连续卸船机的提升筒体与顶部结构之间为螺栓连接，在提升筒体和顶部结构的连接处加耦合约束；各铰点之间的连接采用刚性区域处理，如主梁与陆侧支腿连接处，回转架与平衡梁连接处，回转架和臂架连接处，臂架和顶部钢结构连接处，顶部结构与平衡梁结构连接处；4个支腿根部采用全位移约束；在取料头底部、臂架前端支撑处施加位移约束。

3 海运工况有限元计算

3.1 海运工况1

臂架向上俯仰6°，船体横摇12°，纵摇5°，竖直方向加速度为5 m/s2，重力加速度为9.8 m/s2。由于存在横摇和纵摇角度，将加速度分解到有限元模型设置的结构本身的X、Y、Z方向，分别为0.84、2.03、14.73 m/s2，并施加到整体模型上。卸船机的自重，除配重不施加以外，其他载荷均按空载工况施加。风速为26 m/s，以面载荷方式施加在整机侧面。

整体位移、应力云图分别如图2、图3所示。忽略应力集中情况，各结构部件的应力汇总见表1。

表1 卸船机海运工况1有限元计算结果汇总表

图2 整体位移云图

图3 整体应力云图

最大位移出现在平衡梁左侧拉杆处，最大位移为127.0 mm。最大应力出现在陆侧支腿与主梁连接处，最大应力为251.7 MPa。计算应力在许用应力范围内。

3.2 海运工况2

仅考虑船体横摇12°，其余条件与海运工况1一致，总加速度按模型自身的X、Y、Z方向分解，分别为0、2.04、14.59 m/s2，并施加到整体模型上。

整体位移、应力云图如图4、图5所示。忽略应力集中情况，各结构部件的应力汇总如表2所示。

表2 卸船机海运工况2有限元计算结果汇总表

图4 整体位移云图

图5 整体应力云图

最大位移出现在平衡梁左右拉杆处，最大位移为129.7 mm。最大应力出现在陆侧支腿与主梁连接处，最大应力为261.1 MPa。计算应力在许用应力范围内。

3.3 海运工况3

仅考虑船体纵摇5°，其余条件与海运工况1一致，将总加速度分解到模型自身的X、Y、Z方向，分别为0.85、0、14.76 m/s2，并施加到整体模型上。

整体位移、应力云图分别如图6、图7所示。忽略应力集中情况，各结构部件的应力汇总如表3所示。

表3 卸船机海运工况3有限元计算结果汇总表

图6 整体位移云图

图7 整体应力云图

最大位移出现在平衡梁左右拉杆处，最大位移为116.0 mm。最大应力出现在臂架与顶部结构连接处，最大应力为209.8 MPa。计算应力在许用应力范围内。

由图3、图5、图7可以得出，3种工况中，仅考虑船体横摇12°时应力最大，但应力在许用范围之内，结构符合要求。

4 结论

本文通过对连续卸船机工作原理的分析，应用ANSYS建立连续卸船机有限元模型，并对设备海运状态进行分析，得出各机械结构在不同海况下的位移及应力值，为大型机械结构的运输过程中的力学分析提供了一种可行性分析方法，为连续卸船机海运的设计、计算及加固提供了理论依据。