基于Creo/parametric，HyperMesh的装船机臂架有限元建模

傅旻 程得志

摘要：装船机用于装船作业的连续式机械。它与后方皮带机系统相衔接，是一种高效率的港口装械作业机械。装船机高频率、高负荷的作业状态，复杂的工况，超大的自重载荷，使得装船机各种性能尤其是动态性能在很大程度上决定了装船机的安全、稳定运行的主导因素。

关键词：装船机;臂架;Creo/parametric;HyperMesh;有限元建模 文献标识码：A

中图分类号：TP391 文章编号：1009-2374（2016）04-0061-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.04.031

装船机是将后方输送机系统输送来的大宗散货装入船舱的连续式专用机械，一般采用电力驱动。装船机通过尾车机构将装船机主体和码头皮带机连接。作为现代化的大型装船设备，装船机极大地提高了港口煤炭与矿石的装船效率，对提高港口生产效率具有极其重要的意义。有限元分析软件在各种大型机械的分析计算中应用越来越广泛，利用它的技术成熟性保证了对装船机金属结构分析计算具有极高的可靠性。在装船机的设计工程中，根据得到的强度分析结构，在保证结构强度及稳定性的同时，尽量减小装船机的自重，寻求结构上的优化。以某6000/t装船机臂架有限元建模进行研究，分析装船机臂架各种不同载荷及不同工况，建立臂架有限元分析模型，为以后装船机臂架模型的合理简化提供了参考。

1 某6000/t装船机的基本结构

装船机主要由九大部分组成，包括门架行走机构、俯仰机构、伸缩机构、臂架皮带式输送机、卸料溜筒机构、尾车机构及其他附属设备。其中装船机臂架前部通过钢丝绳与塔架连接，后部与塔架的横梁铰接，装船机结构示意图见图1：

1.走行机构;2.门架;3.塔架;4.俯仰提升装置;5.臂架;6.臂架伸缩机构;7.臂架皮带机;8.溜筒机构;9.尾车

2 臂架载荷和主要工况介绍

2.1 臂架载荷

根据装船机臂架与其他构件的连接后，装船机臂架的承载情况、载荷出现的概率和持续时间的长短，臂架载荷加载模式可分为集中载荷和均布载荷。通过必要的载荷简化，能够确定作用在臂架上的载荷如表1所示：

2.2 臂架工况

不同的工况，装船机臂架受力会不同，装船机臂架的俯仰角度为-12°～+13°，非工作角度为+65.3°;工作风速为20m/s，非工作风速为55m/s。在工作状态，臂架的伸缩臂伸出最大时，臂架处于水平状态时力矩最大，是一种不利的工况状态;在非工作状态时，若出现暴风，伸缩臂完全缩回到固定臂架中且臂架仰起到非工作角度，并用风钩将其锁住，是第二种不利的工况。按照这两种工况，建立了如表2所示不同的工况情况。

2.3 载荷的确定

2.3.1 均布载荷。臂架自重（固定臂和伸缩臂）通过结构自重输入杆件的密度，由程序自动计算。工作载荷通过主要设计参数确定，臂架皮带机的带速为4.8m/s，转换为17280m/h，最大装船能力为6700t/h，可认为每小时有6700t的煤炭平铺在长度为17280m的皮带机上，即：

式中：q为单位长度上的工作载荷;L为平铺的皮带长度。

臂架皮带机托辊及皮带重为了简化计算，将其作为均布载荷均匀加载到固定臂架和伸缩臂架的总长上。

风载荷分别对工作状态的风载荷和非工作状态的风暴风载荷进行计算，风压与风速的关系为q=0.163×v2，风载荷为：

W=AqCf

式中：A为迎风面积;Cf为风力系数。

2.3.2 集中载荷。根据臂架皮带机的结构形式，将筒、溜筒重、伸缩驱动机构重及皮带的驱动装置按照质量块的形式加载到其在臂架的相应的安装位置，钢丝绳对臂架的作用力、塔架对臂架的作用力均按照集中载荷的形式加载到臂架上。

2.3.3 溜筒物料冲击载荷。物料在冲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，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料板后仍旧以水平的速度抛出，并且物料抛出方向在垂直于臂架的平面内，抛料板最大抬起角度为，根据动量定理，可求的抛料板产生的冲击力T为：

水平方向：

3 创建装船机臂架有限元模型

装船机臂架系统主要包括固定臂架、伸缩臂架、伸缩驱动装置等，伸缩臂架和固定臂架都是有型钢和钢板焊接而成的桁架结构。本轮有限元分析只考虑伸缩臂架和固定臂架，将其他部分当作外载荷施加到臂架上。固定臂架在进行三维建模时可以分成六个部分：顶架、底架、左右支撑、前部、后部、其他结构;伸缩臂架可分左右支架、底架。根据前文臂架工况分析知道在臂架0°是臂架受力不利工况之一，主要分析此种工况下臂架的静动特性。通过Creo/Parametric3.0创建固定臂和伸缩臂三维模型图，如图2所示。将固定臂架和伸缩臂架另存为step格式，并导入HyperMesh，如图3所示。

3.1 臂架的材料属性

由于臂架钢结构大多采用钢板焊接而成，为了提高分析计算速度，在进行有限元分析时主要采用Shell单元建模，然后再给其赋予合适的材料厚度，这样会减少单元数量，提高计算速度。臂架钢板主要材料为Q345，辅助材料为Q235，材料属性见表3：

3.2 臂架抽取中面及各部分连接处理

采用高性能的前处理软件Hypermesh对固定臂架及伸缩臂架结构进行网格划分，可以模型网格的快速划分，同时保证有限元分析的精度。在Hypermesh中建立固定臂架的模型可分为5个collector，名字分别为boom-roof、boom-bottom、boom-left-right-side、boom-front、boom-others，用于存放固定臂架相应组件抽取中面。伸缩臂架的模型可分为2个collector，名字分别为shuttle-left-right side、shuttle-bottom，用于存放伸缩臂架相应组件抽取中面。应用抽取中面命令，分别对固定臂架及伸缩臂架相应的组件抽取中面，将抽取的中面存放在上述定义的相应的component中。固定臂架及伸缩臂架都是有型钢和钢板焊接而成的，从固定臂架及伸缩臂架整体上考虑应力集中的地方，可以对构件连接的失效处暂时不予考虑。将固定臂架及伸缩臂架单独看成两个整体部件。在Hypermesh中对抽取的固定臂架及伸缩臂架的中面进行extend surf处理，以固定臂架为例，伸缩臂架采取同样方法处理，其中固定臂架的处理效果如图4所示：

3.3 网格的划分及单元类型的选择

综合考虑臂架各个部分的结构形式和受力的不同情况，在建立臂架有限元分析模型时，固定臂、伸缩臂及加强筋板等用SHELL63来模拟、固定臂及伸缩臂中横梁用beam188来模拟。以固定臂架为例进行网格划分，因固定臂架整体结构较规整，划分网格大小为200，采用混合单元类型、自动式划分，固定臂架网格划分如图5所示。

3.4 相应单元赋值

为了方便固定臂架及伸缩臂架中具有相同属性及参数单元赋值和管理，利用HyperMesh中的organiz选项进行统一的管理，将固定臂架及伸缩臂架中参数不同的单元放入到不同的component中，这样能够将属性、参数相同的单元赋值。

4 结语

（1）对装船机的臂架结构所受载荷类型归纳总结，为后续利用有限元分析软件进行分析处理提供数据;（2）通过Creo/parametric及HyperMesh软件能够快速建立装船机臂架三维模型;（3）通过HyperMesh软件对固定臂架及伸缩臂架有限元模型创建，利用整体构件替代焊点模拟的方式，为装船机臂架初期的设计提供了快速便捷的方式，便于以后最终确定方案。

参考文献

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[2] 李斌，王悦民.大型港口装船机结构载荷组合及计算[J].起重运输机械，2009，（3）.

[3] 沈卓，王悦民.装船机的结构有限元计算及薄弱点分析[J].起重运输机械，2008，（5）.

[4] 刚灵，尹明德.基于Pro/E，HyperMesh的客车车身骨架的有限元建模[J].机械制造与自动化，2010，（4）.

（责任编辑：陈 洁）