基于Creo/parametric，HyperMesh的裝船機(jī)臂架有限元建模

傅旻 程得志

摘要：裝船機(jī)用于裝船作業(yè)的連續(xù)式機(jī)械。它與后方皮帶機(jī)系統(tǒng)相銜接，是一種高效率的港口裝械作業(yè)機(jī)械。裝船機(jī)高頻率、高負(fù)荷的作業(yè)狀態(tài)，復(fù)雜的工況，超大的自重載荷，使得裝船機(jī)各種性能尤其是動(dòng)態(tài)性能在很大程度上決定了裝船機(jī)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行的主導(dǎo)因素。

關(guān)鍵詞：裝船機(jī);臂架;Creo/parametric;HyperMesh;有限元建模 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文章編號(hào)：1009-2374（2016）04-0061-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.04.031

裝船機(jī)是將后方輸送機(jī)系統(tǒng)輸送來(lái)的大宗散貨裝入船艙的連續(xù)式專(zhuān)用機(jī)械，一般采用電力驅(qū)動(dòng)。裝船機(jī)通過(guò)尾車(chē)機(jī)構(gòu)將裝船機(jī)主體和碼頭皮帶機(jī)連接。作為現(xiàn)代化的大型裝船設(shè)備，裝船機(jī)極大地提高了港口煤炭與礦石的裝船效率，對(duì)提高港口生產(chǎn)效率具有極其重要的意義。有限元分析軟件在各種大型機(jī)械的分析計(jì)算中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，利用它的技術(shù)成熟性保證了對(duì)裝船機(jī)金屬結(jié)構(gòu)分析計(jì)算具有極高的可靠性。在裝船機(jī)的設(shè)計(jì)工程中，根據(jù)得到的強(qiáng)度分析結(jié)構(gòu)，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性的同時(shí)，盡量減小裝船機(jī)的自重，尋求結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化。以某6000/t裝船機(jī)臂架有限元建模進(jìn)行研究，分析裝船機(jī)臂架各種不同載荷及不同工況，建立臂架有限元分析模型，為以后裝船機(jī)臂架模型的合理簡(jiǎn)化提供了參考。

1 某6000/t裝船機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

裝船機(jī)主要由九大部分組成，包括門(mén)架行走機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)、臂架皮帶式輸送機(jī)、卸料溜筒機(jī)構(gòu)、尾車(chē)機(jī)構(gòu)及其他附屬設(shè)備。其中裝船機(jī)臂架前部通過(guò)鋼絲繩與塔架連接，后部與塔架的橫梁鉸接，裝船機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1：

1.走行機(jī)構(gòu);2.門(mén)架;3.塔架;4.俯仰提升裝置;5.臂架;6.臂架伸縮機(jī)構(gòu);7.臂架皮帶機(jī);8.溜筒機(jī)構(gòu);9.尾車(chē)

2 臂架載荷和主要工況介紹

2.1 臂架載荷

根據(jù)裝船機(jī)臂架與其他構(gòu)件的連接后，裝船機(jī)臂架的承載情況、載荷出現(xiàn)的概率和持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，臂架載荷加載模式可分為集中載荷和均布載荷。通過(guò)必要的載荷簡(jiǎn)化，能夠確定作用在臂架上的載荷如表1所示：

2.2 臂架工況

不同的工況，裝船機(jī)臂架受力會(huì)不同，裝船機(jī)臂架的俯仰角度為-12°～+13°，非工作角度為+65.3°;工作風(fēng)速為20m/s，非工作風(fēng)速為55m/s。在工作狀態(tài)，臂架的伸縮臂伸出最大時(shí)，臂架處于水平狀態(tài)時(shí)力矩最大，是一種不利的工況狀態(tài);在非工作狀態(tài)時(shí)，若出現(xiàn)暴風(fēng)，伸縮臂完全縮回到固定臂架中且臂架仰起到非工作角度，并用風(fēng)鉤將其鎖住，是第二種不利的工況。按照這兩種工況，建立了如表2所示不同的工況情況。

2.3 載荷的確定

2.3.1 均布載荷。臂架自重（固定臂和伸縮臂）通過(guò)結(jié)構(gòu)自重輸入桿件的密度，由程序自動(dòng)計(jì)算。工作載荷通過(guò)主要設(shè)計(jì)參數(shù)確定，臂架皮帶機(jī)的帶速為4.8m/s，轉(zhuǎn)換為17280m/h，最大裝船能力為6700t/h，可認(rèn)為每小時(shí)有6700t的煤炭平鋪在長(zhǎng)度為17280m的皮帶機(jī)上，即：

式中：q為單位長(zhǎng)度上的工作載荷;L為平鋪的皮帶長(zhǎng)度。

臂架皮帶機(jī)托輥及皮帶重為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將其作為均布載荷均勻加載到固定臂架和伸縮臂架的總長(zhǎng)上。

風(fēng)載荷分別對(duì)工作狀態(tài)的風(fēng)載荷和非工作狀態(tài)的風(fēng)暴風(fēng)載荷進(jìn)行計(jì)算，風(fēng)壓與風(fēng)速的關(guān)系為q=0.163×v2，風(fēng)載荷為：

W=AqCf

式中：A為迎風(fēng)面積;Cf為風(fēng)力系數(shù)。

2.3.2 集中載荷。根據(jù)臂架皮帶機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，將筒、溜筒重、伸縮驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)重及皮帶的驅(qū)動(dòng)裝置按照質(zhì)量塊的形式加載到其在臂架的相應(yīng)的安裝位置，鋼絲繩對(duì)臂架的作用力、塔架對(duì)臂架的作用力均按照集中載荷的形式加載到臂架上。

2.3.3 溜筒物料沖擊載荷。物料在沖擊溜筒拋料板的過(guò)程中，會(huì)對(duì)拋料板產(chǎn)生沖擊。根據(jù)動(dòng)能定理，物料在撞擊拋料板時(shí)的垂直速度為，假設(shè)物料在撞擊拋料板時(shí)沒(méi)有能量損失，即物料在撞擊溜筒拋料板后仍舊以水平的速度拋出，并且物料拋出方向在垂直于臂架的平面內(nèi)，拋料板最大抬起角度為，根據(jù)動(dòng)量定理，可求的拋料板產(chǎn)生的沖擊力T為：

水平方向：

3 創(chuàng)建裝船機(jī)臂架有限元模型

裝船機(jī)臂架系統(tǒng)主要包括固定臂架、伸縮臂架、伸縮驅(qū)動(dòng)裝置等，伸縮臂架和固定臂架都是有型鋼和鋼板焊接而成的桁架結(jié)構(gòu)。本輪有限元分析只考慮伸縮臂架和固定臂架，將其他部分當(dāng)作外載荷施加到臂架上。固定臂架在進(jìn)行三維建模時(shí)可以分成六個(gè)部分：頂架、底架、左右支撐、前部、后部、其他結(jié)構(gòu);伸縮臂架可分左右支架、底架。根據(jù)前文臂架工況分析知道在臂架0°是臂架受力不利工況之一，主要分析此種工況下臂架的靜動(dòng)特性。通過(guò)Creo/Parametric3.0創(chuàng)建固定臂和伸縮臂三維模型圖，如圖2所示。將固定臂架和伸縮臂架另存為step格式，并導(dǎo)入HyperMesh，如圖3所示。

3.1 臂架的材料屬性

由于臂架鋼結(jié)構(gòu)大多采用鋼板焊接而成，為了提高分析計(jì)算速度，在進(jìn)行有限元分析時(shí)主要采用Shell單元建模，然后再給其賦予合適的材料厚度，這樣會(huì)減少單元數(shù)量，提高計(jì)算速度。臂架鋼板主要材料為Q345，輔助材料為Q235，材料屬性見(jiàn)表3：

3.2 臂架抽取中面及各部分連接處理

采用高性能的前處理軟件Hypermesh對(duì)固定臂架及伸縮臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可以模型網(wǎng)格的快速劃分，同時(shí)保證有限元分析的精度。在Hypermesh中建立固定臂架的模型可分為5個(gè)collector，名字分別為boom-roof、boom-bottom、boom-left-right-side、boom-front、boom-others，用于存放固定臂架相應(yīng)組件抽取中面。伸縮臂架的模型可分為2個(gè)collector，名字分別為shuttle-left-right side、shuttle-bottom，用于存放伸縮臂架相應(yīng)組件抽取中面。應(yīng)用抽取中面命令，分別對(duì)固定臂架及伸縮臂架相應(yīng)的組件抽取中面，將抽取的中面存放在上述定義的相應(yīng)的component中。固定臂架及伸縮臂架都是有型鋼和鋼板焊接而成的，從固定臂架及伸縮臂架整體上考慮應(yīng)力集中的地方，可以對(duì)構(gòu)件連接的失效處暫時(shí)不予考慮。將固定臂架及伸縮臂架單獨(dú)看成兩個(gè)整體部件。在Hypermesh中對(duì)抽取的固定臂架及伸縮臂架的中面進(jìn)行extend surf處理，以固定臂架為例，伸縮臂架采取同樣方法處理，其中固定臂架的處理效果如圖4所示：

3.3 網(wǎng)格的劃分及單元類(lèi)型的選擇

綜合考慮臂架各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)形式和受力的不同情況，在建立臂架有限元分析模型時(shí)，固定臂、伸縮臂及加強(qiáng)筋板等用SHELL63來(lái)模擬、固定臂及伸縮臂中橫梁用beam188來(lái)模擬。以固定臂架為例進(jìn)行網(wǎng)格劃分，因固定臂架整體結(jié)構(gòu)較規(guī)整，劃分網(wǎng)格大小為200，采用混合單元類(lèi)型、自動(dòng)式劃分，固定臂架網(wǎng)格劃分如圖5所示。

3.4 相應(yīng)單元賦值

為了方便固定臂架及伸縮臂架中具有相同屬性及參數(shù)單元賦值和管理，利用HyperMesh中的organiz選項(xiàng)進(jìn)行統(tǒng)一的管理，將固定臂架及伸縮臂架中參數(shù)不同的單元放入到不同的component中，這樣能夠?qū)傩浴?shù)相同的單元賦值。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)裝船機(jī)的臂架結(jié)構(gòu)所受載荷類(lèi)型歸納總結(jié)，為后續(xù)利用有限元分析軟件進(jìn)行分析處理提供數(shù)據(jù);（2）通過(guò)Creo/parametric及HyperMesh軟件能夠快速建立裝船機(jī)臂架三維模型;（3）通過(guò)HyperMesh軟件對(duì)固定臂架及伸縮臂架有限元模型創(chuàng)建，利用整體構(gòu)件替代焊點(diǎn)模擬的方式，為裝船機(jī)臂架初期的設(shè)計(jì)提供了快速便捷的方式，便于以后最終確定方案。

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（責(zé)任編輯：陳 潔）