（机械设计及理论专业论文）连续卸船机的门座部分建模与分析.pdf

摘要 摘要 目前国产连续卸船机的最大生产率只有1 6 0 0 t h ，随着现代大型港口的建 设、发展，以及连续卸船机自身质量和使用可靠性的提高，更大型、高效的连 续卸船机正应运而生。扩充国产连续卸船机的机型和品种，实现引进机型的国 产化，是今后我国继续开发连续卸船机的重要课题。 本文旨在利用有限元分析方法对3 5 0 0 t h 链斗式连续卸船机门座部分机械 结构的强度和动态响应等方面进行分析、计算。希望能得到一种稳定可靠的方 法对连续卸船机门座部分进行分析与设计，减少设计周期，从而加快连续卸船 机的生产周期以满足现代化港口的需求。 本文先后完成了以下四方面工作： 1 利用有限元分析软件a n s y s ，建立了3 5 0 0 t h 链斗式连续卸船机门座部 分有限元模型。 2 分析计算各种工况下的载荷及载荷组合，给模型加载，计算各种载荷组 合下模型各部分应力值，从而对门座结构进行强度分析。 3 对连续卸船机门座部分的常用结构布局进行调查、分析，利用h n s y s 有 限元模型模态分析功能，评比各种模型结构方案的优劣。 4 由以上模型计算、分析结果为连续卸船机门座部分机械结构提供进一步 设计和优化依据。 国内基于c a e ( c o m p u t c ra i d e de n g i n e e r i n g ) 技术对连续卸船机这种超大型 钢结构设备的研究非常少，对整机强度做系统地分析的研究更不多见。本文的 创新性在于科学地系统地详细地对大型门座部分进行整体受力状态分析计算和 强度分析，最终达到了给生产实践以指导之目的。 关键字：有限元，连续卸船机，门座部分，建模，现代化港口，设计，优化 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eb i g g e s tc a p a b i l i t yo fh o m e - m a d ec o n t i n u o u ss h i pu n l o a d e r ( c s u ) i s16 0 0 t h c u r r u n t l y m u c hb i g g e rc s ui si nu r g e n tn e e df o rt h ed e v e l o p m e n to fm o d e mb i g h a r b o u r c h i n an e e d sm o r et y p e so fc s ua n dh o m e m a k i n gt h e mi st h em a j o rt a s ko n h a n d t h i sp a p e rf o c u s e do nt h ea n a l y s i so ft h em e c h a n i c a ls t r e n g t ho f3 5 0 0 t hb u c k e t c s ub a s e do nf i n i t ee l e m e n tm o d e l i n ga n da n a l y s i s as t a b l ea n dr e l i a b l em e t h o do n t h ed e s i g no ft h et r a v e l i n gp o r t i o no fc s ui se x p e c t e dt h r o u g ht h i sp a p e ra n ds t u d yt o r e d u c et h ed e s i g nc o s ta n dp r o d u c t i o nt i m eo fc o n t i n u o u ss h i pu n l o a d e rt os a t i s f yt h e n e e do fm o d e mh a r b o u r s f o u rg o a l sw e r eo b t a i n e di nt h i sp a p e r 1 s e l e c to n eo ft h em o s tp o p u l a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y sa n d s e tu pf e am o d e lo f3 5 0 0 t hb u c k e tc s u 2 a n a l y z et h el o a ds t a t e s ，a p p l yl o a d so fa l ls t a t e so nt h em o d e l ，f i n do u tt h e m o s td a n g e r o u sp o i n t sa n dl o a ds t a t e 3 d e t e r m i n et h eb e s tm e c h a n i c a ls t r u c t u r el a y o u tt h r o u g hm o d a la n a l y s i s 4 p r o v i d ed e s i g na n do p t i m i z a t i o nf o u n d a t i o na c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sr e s u l t s a b o v e t h e r ei s l i t t l er e s e a r c ho nm e g as t r u c t u r eo fs t e e ls u c ha sc s ub a s e do n c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) ，a n de v e nl e s sr e s e a r c hb a s e do ns y s t e ma n a l y s i s t h i sp a p e rc a l c u l a t e sa l lt h ef o r c e so nt h ew h o l eg i r d e rp o t i o no f3 5 0 0 t hc s ua n dt h e s t r e n 舀ho ft h i sp o r t i o n f i n a l l y , t h es o l i t u d ep u r p o s eo ft h ei n s t r u c t i o nf o rp r o d u c t i o n i sa t t a i n e d s ot h ei d e ao ft h i sp a p e ri sc r e a t i v e k e yw o r d s ：f i n i t ee l e m e n t ，c o n t i n u o u ss h i pu n l o a d e r , t r a v e l i n gp o r t i o n ，m o d e l i n g ， m o d e mh a r b o u r s ，d e s i g n ，o p t i m i z a t i o n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 嚣麓雾日 砂o1 年 只| 伊 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：彬纷 _ 年 月7 日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 概述 据国家发改委公布的消息，截至2 0 0 8 年5 月1 5 日，我国港口铁矿石存量 达到7 9 2 2 万吨，出现了历史上从未有过的景象，比正常时期的堆存量超出了2 0 0 0 万吨至3 0 0 0 万吨左右，且仍有上升趋势。今年部分港口铁矿石海运船只严重堵 港，到港后的滞留时间长达7 到1 5 天。压港严重，造成船只到港后滞港时间过 长，制约了运力的发挥；同时，也致使海运费暴涨l l j 。 沿海港口对矿物原料运输十分重要，尤其是中国钢铁工业发展亟需进口大 量矿物原料，新建和扩建沿海港口吞吐能力则是当务之急的大事。中国“十五” 期间先后建成投入使用的货柜、石油、铁矿石和煤炭等专业码头泊位共9 2 0 个， 新增港口吞吐能力为5 4 亿吨，从2 0 0 3 年至2 0 0 5 年连续三年增长速度位居世界 首位。目前，中国港口吞吐能力仍不能满足需求，海运进口铁矿石压港严重， 据估算，中国港口2 0 1 0 年总吞吐能力缺口达到2 0 亿吨以上。为了改变铁矿石 压港造成的恶性循环，日前，国家发改委和交通部联合发文，要求加强对各大 港口的铁矿石疏运工作l 引。 研发、生产和使用大型高效的卸船设备，是提高港口吞吐能力的有效方法 之一。连续卸船机即应运而生。从连续卸船机的自重、轮压、能耗、装机容量 及效率等方面考虑，采用连续卸船机能取得较好的经济效益。另外因其工作平 稳而噪音较小，卸货过程可全封闭进行，能有效地防止洒漏造成的货损和避免 粉尘污染环境。总之，机械式连续卸船机具有以下优点： 1 单机卸船能力大： 2 粉尘污染小，环境保护好； 3 能耗较低，整机质量较小； 4 操作简单，容易实现自动化。 因而连续卸船机具有广阔的发展应用前景，是现代化港口的必需装备。 第1 章引言 1 2 连续卸船机简介和应用现状 连续卸船是以连续输送机为基础组成的卸船专用机械。作为大宗散货的卸 船机械，主要是解决自行取料和将物料提升出舱，所以采用不同的取料和提升 方式便可构成不同的连续卸船机机型。目前由于对连续卸船机的名称尚无统一 的标准规定，因而有时一机多名。有的卸船机以取料部分所采用的输送机命名， 有的则以提升部分采用的输送机命名。连续卸船机的物料搬运系统包括取料、 提升、机内水平输送三个部分。 目前按其取料、提升、水平输送是否属于独立的机构来加以区分，基本上 有如下四大类连续卸船机在各大港口服务： 第一类：取料、提升、水平输送由三个独立机构完成。属于这一类的连续 卸船机称作斗轮卸船机。它取料用斗轮，提升借助于链斗提升机；臂架上的水 平输送段则采用带式输送机。用三种不同的各自独立的连续输送机来实现取料、 提升和沿臂架的水平输送。 第二类：取料和提升合一，水平输送由独立的机构完成。称作链斗卸船机。 这些链斗卸船机都是链斗兼顾取料和提升，然后用单独的带式输送机进行水平 输送的。 第三类：有单独的取料机构，而提升和水平榆送则用一种连续输送机完成。 用于我国福州电厂的日本三菱重工生产的卸船机就属于这一类。称为波形档边 带式卸船机。 第四类：取料、提升和水平输送由一个机构完成。如英国的s i m o n c a l v e s 公司的双带式卸船机。 根据卸船机工作需要，卸船机有移动式和固定式之分。用于海轮的连续卸 船机大部分为移动式，可沿码头前沿铺设的轨道行走，或其自身有轮胎行走机 构。用于内河的连续卸船机可以是固定式的，借被卸船舶的移动进行连续卸载， 可以简化码头结构，降低工程造价【4 j o 图1 1 所示为在荷兰码头作业的斗轮卸船机，其卸载轮船规格1 8 0 0 0 0 d w t ， 起重机臂4 6 5 m ，起吊高度3 8 m ，回转角度2 7 0 度，卸载硬煤能力3 0 0 0 t h 。整 机由5 部分组成。1 为挖掘取料组件，此机用斗轮取料；2 为提升组件，即斗 式提升机；3 为前大梁组件，包括前大梁和平衡重等，可俯仰和旋转2 7 0 度；4 为回转组件，属于整机的中继部分；5 为门座组件( 又称行走部分) ，它支撑上 部的全部重量并可以带动整机沿轨道行走。 2 况 图11 在荷兰码头作业的斗轮卸船机 表l1 ，表l2 和表l3 列出了我国大陆地区近期连续卸船机应用与生产情 表1l 我国人陆地区较早引进的连续卸船机使片j 情况 片j 户 制造商机型物料生产率( 协)交货时间 上海港 l 湘d d链斗煤炭1 2 0 01 9 8 7 人连港史带粮食7 5 01 9 8 5 天津港气力粮食2 5 01 9 8 5 秦皇岛港三菱波状挡边带粮食6 0 01 9 9 2 l 海港埋刮扳粮食1 0 0 01 9 9 5 上海港螺旋化肥5 0 0】9 9 0 沙角电斗轮煤炭l5 0 01 9 9 4 第1 章引言 表1 2 国产典型连续卸船机 用户制造单位机型物料生产率( 1 1 1 )交货时间 湛江港 上海港机，水运所气力粮食 4 0 0 1 9 8 3 武钢工业港武汉理l 人学悬链斗铁矿石 1 2 0 01 9 9 0 上海港 上海港机，水运所链斗煤炭 1 2 0 01 9 8 9 烟台港 大连理丁，大连重机 螺旋化肥4 0 01 9 9 0 青岛港上海港机，水运所斗轮铁矿石1 6 0 01 9 9 4 防城粮食局上海港机，水运所波状挡皮带粮食8 0 01 9 9 9 广州港水运所气力粮食4 0 01 9 9 9 试验机型水运所夹带粮食1 0 01 9 8 9 试验机砸水运所埋刮板粮食 1 0 0 1 9 9 4 表1 3 国内最近订货的气力连续卸船机 用户 制造商数量( 台)物料生产率( t 1 1 )交货时间 重庆港 v i g a n l 粮食 4 0 02 0 0 4 日照港 v i g a n 2 氧化铝2 5 0 2 0 0 4 青岛港n e u e r o 2 氧化铝3 0 0 2 0 0 5 连云港港 v i g a n 2 氧化铝2 4 02 0 0 5 湛江港 v i g a n 3 粮食4 0 02 0 0 5 1 3 连续卸船机的发展趋势 1 3 1 起重机发展趋势 连续卸船机作为起重机械的一种，也有与其相似的发展方向。上个世纪7 0 年代以来，随着生产和科学技术的发展，起重机械无论是在产量上还是在品种 及质量上都得到了极其迅速的发展。随着生产规模的扩大，自动化程度的提高， 作为物料搬运重要设备的起重机在现代化生产过程中应用越来越广，作用愈来 愈大，对起重机的要求也越来越高5 1 。起重机正经历着一场巨大的变革。具体表 现在： 1 通用型起重机以中小型为主，专用化起重机向大型化发展1 6 ； 2 广泛采用液压技术； 由于液压与液力传动体积小、重量轻、结构紧凑，能无极调速，操作简便， 运转平稳，工作可靠等优点，近年来在国外各种类型的起重机上以得到广泛的 应用。 3 重视“三化 ，逐步采用国际标准； 4 第1 章引言 目前各国在发展起重机新产品中都很重视“三化 ( 标准化、系列化、通用 化) 。 4 发展一机多用产品； 为了充分发挥起重机的作用，扩大其使用范围，有的国家在设计起重机时 重视了产品的多用性。例如在工作装置设计方面，除了使用吊钩外，还设计配 备了电磁吸盘、抓斗、拉铲和木料抓取器等取物装置。 5 采用新技术、新材料、新结构、新工艺。 在设计起重机主梁强度时，可使用较高的许用应力，而不需要很高的安全 系数，以便减少起重机材料用量( 这并不意味着不安全) ，从而降低设备的重量 和价格i 。 1 3 2 国外连续卸船机发展趋势 近期在国外连续卸船机体现出两大发展趋势，在专业化大型散货码头上接 卸矿石、煤炭等流动性较差的重散货，趋向于采用大型高效的连续卸船机，机 型主要有链斗、斗轮和螺旋式：另一方面，对于接卸化肥、粮食、饲料甚至水 泥等流动性较好的轻散货，国外一些厂商推荐采用小型、流动式、多用途的连 续卸船机。某些公司强调，应把设备机动性作为设计的关键要素，设计人员考 虑的关键问题是流动性、较高的能力、能量效率、无损耗作业、无泄漏系统、 减少磨损、降低噪声等。日本住友公司目前正在开发3 0 0 t h 8 0 0 t h 的压带式 连续卸船机以适应中小船舶的卸船作业，以用来替代今后数年内将要淘汰的用 于卸船的旋转型抓斗起重机。 另外，在运量稳定的大型专业化散货码头上使用大型高效的连续卸船机， 可以充分发挥连续卸船机效率高、能耗低、对环境污染小、货损少、可自动运 行的优点，连续卸船机的生产率越高，这些优点发挥得越充分。国外近来投产 的大型链斗和斗轮卸船机生产率大多在2 以上，最大已达7 2 0 0 帅，且有进 一步提高的趋势。 1 3 3 国内连续卸船机发展趋势 我国研制连续卸船机是从5 0 年代末开始的，当时曾投产过一些小型气力式 卸船机、小型压带式卸船机、小型链斗卸船机和小型埋刮板卸船机，由于受当 时技术条件限制，这些机型先后淘汰。7 0 年代末8 0 年代初，对连续卸船机技术 5 第1 章引言 的研究又重新开始，气力卸船机和链斗卸船机投产较早，之后是螺旋卸船机、 斗轮卸船机和波状挡边带式卸船机。8 0 年代后投产的国产连续卸船机个别小型 机目前也不再使用，但大多在当时港口的生产中发挥了重要作用。尽管受国内 技术条件限制，国产连续卸船机在设计、制造等方面存在一些不足，但经过改 造和完善，仍能使其取得较好的运行效果，如国产1 2 0 0 t l i 链斗卸船机在上海港 的使用和国产1 6 0 0 t l l 斗轮卸船机在青岛港的使用。广州港和湛江港的4 0 0 t h 气 力卸船机尽管已分别运行了2 0 年和1 6 年，但经技术改造后目前仍在使用。气 力卸船机过去一直受噪声大、能耗大等缺点的制约，使用受到限制，如在上海 港的2 5 0 t l l 气力卸船机就被进口埋刮板卸船机所取代。在我国港口除绳斗式连 续卸船机之外，其它种类的连续卸船机都有应用，而国产连续卸船机仅限于链 斗、斗轮和气力等少数几种机型。改革开放以后我国从国外引进的各型连续卸 船机，今后将逐步进入主要部件乃至整机的更新换代时期，这些机型都有必要 实现国产化。 目前国产连续卸船机的最大生产率只有1 6 0 0 伽，随着港口建设的发展，以 及连续卸船机自身质量和使用可靠性的提高，更高效率的连续卸船机一定会有 市场需求。扩充国产连续卸船机的机型和品种，实现引进机型的国产化，是今 后我国继续开发连续卸船机的重要课题1 3 j 。 1 4 国内基于c a e 技术的连续卸船机研究状况 国内学校和研究机构对连续卸船机的相关研究主要集中在其应用和选型 上。上海良友集团外高桥粮食储备库及码头设施筹建处的施建伟先生在其大 型散粮专用连续卸船机1 8 j 一书中介绍国内外大型散粮专业化码头使用的各类散 粮连续卸船机如埋刮板卸船机、夹带式卸船机、波纹挡边带式卸船机、螺旋式 卸船机等的性能、特点。综合比较各种形式卸船机的技术性能和经济指标，为 专业化粮食码头选择大型散粮连续卸船机提供参考。 交通部水运科学研究院的马文杰和张德文在其双摆臂架散货连续卸船机 防碰舱安全保护技术【9 】一文中介绍了由于波浪和操作引起卸船机垂直臂和取料 头与船舶舱底、舱内壁和舱口碰撞，严重时会造成卸船机或船舶的损坏，以双摆动 臂架式连续卸船机为例，介绍其防碰舱安全保护系统的原理及实施方案。 交通部水运科学研究所联合上海港机重工有限公司由郑见粹和张振雄在其 6 第1 章引言 连续卸船机的使用与发展1 1 0 j 一文中回顾连续卸船机在我国港口的使用情况， 分析各种连续卸船机的使用特点，对继续开发连续卸船机提出建议。 交通部水运科学研究所的张德文先生在其连续卸船机主参数优化设计软 件c u m p o ) ) 1 1 】一文中，介绍了连续卸船机几何尺寸参数设计的数学模型，着重 讨论主参数优化设计软件c u m p o 的功能与结构特点。软件采用计算机图形学 和动画模拟等技术，可以直观地演示卸船机对不同尺寸船型的卸船功能。 可见，国内基于c a e ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 技术对连续卸船机的研究 并不成熟。 1 5 本文主要研究内容及创新点 1 5 1 课题来源 我校与上海某港机公司合作研发3 5 0 0 帅链斗式连续卸船机项目。 1 5 2 本文主要研究对象及内容 本文主要研究对象为3 5 0 0 t h 链斗式卸船机门座部分，整机其余部分由本课 题组其他成员分别进行研究。整机结构如图1 2 所示( 图中尺寸单位为m m ) 。 整机行走速度为2 0 m m i n ，前大梁俯仰角有1 8 。、0 。、2 0 。的工作位置和8 。、 3 6 。的非工作位置。回转角度为2 7 0 。，可左转1 1 0 。右转1 6 0 。门座部分纵 向尺寸为3 0 米，横向尺寸为2 0 米，高度为1 7 6 6 5 米。 本文主要研究内容包括： 1 国内外连续卸船机的生产技术资料的收集、剖析、消化吸收。 2 建立有效合理的有限元模型，正确模拟机构的工作状态。 3 不同工况下的载荷分析 计算门座部分可能受到的各种载荷：自重、提升载荷和风载等。探讨门座 部分的载荷组合工况。 4 给模型加载 在各种载荷组合加载情况下，对门座部分的机械结构做强度分析。找出危 险截面和部位，校核强度并提出改进的方案和技术参数。 5 连续卸船机门座部分总体布局型式的设计研究 7 第1 章引言 收集国内外起重机门座部分的各种布局型式，建立各个方案的门座部分模 型，通过模态分析的方法评比各种结构方案的优劣。 最后，得出研究结论，给设计、生产提供依据。 1 挖掘与提升组件2 前大梁组件3 一回转组件4 一门座组件 图1 23 5 0 0 t h 链斗卸船机整机结构示意图 1 5 3 本文创新点 国内基于c a e 技术对连续卸船机这种超大型设备的研究非常少，对整机强 度做系统地分析的研究更不多见。本文的创新性在于科学地系统地详细地对大 型门座部分进行整体受力状态分析计算和强度分析，最终达到给生产实践以指 导之目的。 8 第2 章有限元法及有限元法分析软件 第2 章有限元法及有限元法分析软件 2 1 有限元法在工程技术领域的应用 在工程技术领域内，对于力学问题或其它场问题，能用解析法精确求解的 只有方程性质比较简单而且几何边界相当规则的少数问题。因此，必须寻找更 好的方法。对于大多数工程技术问题，由于物体的几何形状比较复杂或者问题 的某些特征是非线性的，则很少有解析解。这类问题的解决途径通常有两种： 一是引入简化假设，将方程和边界条件简化为能够处理的问题，从而得到它在 简化状态的解。这种方法只有在有限的情况下是可行的，因为过多的简化将可 能导致不正确的结果。二是采用数值分析方法，即在广泛吸收现代数学、力学 理论的基础上，借助于现代科学技术产物计算机来获得满足工程需要求的 数值解，这就是数值模拟技术。数值模拟技术是现代工程学形成和发展的重要 推动力之一。解析解在系统中的任何点上都是精确解，而数值解只是在称为“节 点 的离散点上才近似于解析解。任何数值解法的第一步都是离散化，也就是 说，要将待求解的对象细分成许多小的区域和节点【1 2 4 4 】。 目前在工程技术领域内常用的数值模拟方法主要有两种：有限元法和有限 差分法。使用有限差分法，需要针对每一节点写出微分方程，并且用差分方程 代替偏微分方程，从而得到一组联立的线性方程组。有限差分法对于简单的问 题是易于理解和应用的，但是使用该方法难以解决带有复杂几何条件和复杂边 界条件的问题。 相比之下，有限元法是使用积分方法而不是微分方法来建立系统的代数方 程组。而且，该方法用一个连续的函数来近似描述每一个单元的解。由于内部 单元的边界是连续的，整个问题的解就可以通过单元的解连接或组装起来。有 限元法有如下特性【1 8 垅j ： 1 对于复杂几何构形的适应性； 2 对于各种物理问题的可用性； 3 建于严格理论基础的可靠性； 4 适合计算机实现的高效性。 以上特性使得有限元法越来越受到工程技术界的重视。伴随着计算机科学 9 第2 章有限元法及有限元法分析软件 和技术的快速发展，有限元法已经成为c a d c a m c a e 的重要组成部分。目前， 有限元已经成为当今工程分析中获得最广泛应用的数值计算方法。 2 2 有限元法的基本思想 有限单元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 又称有限元法，它是在计算机技术和数 值分析方法支持下发展起来的，其基本思想是将问题的求解域划分为一系列单 元，单元之间仅靠节点连接。单元内由平衡关系或能量关系建立节点量之间的 方程式，然后将各个单元方程“组集在一起而形成总体代数方程组，计入边 界条件后即可对方程组求解。单元划分越细，计算结果就越精确。它是利用数 学近似的方法对真实物理系统( 几何和载荷工况) 进行模拟，再用简单而又相 互作用的元素( 即单元) 就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实 系统。 有限元法是在2 0 世纪5 0 年代中期作为结构分析矩阵法的推广应用到固体 力学中的。结构分析的矩阵法是分析含有大量构件的结构系统的分析方法。这 些结构系统的构件是简单的拉压杆件以及受弯曲或者扭转的梁，根据它们在有 限个节点上的位移矩阵( u 、单元刚度矩阵( k ) 和载荷矩阵( f ) 的关系，列 出方程组，以节点位移或节点内力作为未知数，有时也可以以节点位移和内力 的混合作为未知数。所以固体力学问题中，有限元公式通常具有如下的一般形 式： ( k ) ( u ) = ( f ) ( 2 1 ) 对于大型代数方程的求解可以交给计算机去完成。有限元法也是在电子计 算机出现后才真正用于工程分析的。有了计算机这个强有力的工具，现在有限 元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问 题扩展到稳定性问题、动力问题和波动问题，分析的对象从弹性材料扩展到塑 性、粘弹性、粘塑性和复合材料，从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁 学等领域【1 2 之2 1 。 2 3 有限元法的基本要素 构成有限元系统的3 个基本要素是节点、单元和自由度。 1 节点( n o d e ) ：它是构成有限元系统的基本要素，也就是整个工程系统 1 0 第2 章有限元法及有限元法分析软件 中的最基本点，它包含了坐标位置以及具有物理意义的自由度信息。 2 单元( e l e m e n t ) ：它是由节点与节点相连而成，是构成有限元系统的 基础。一个有限元系统必须有至少一个以上的单元。单元和单元之间由各节点 相互连接。传统的结构矩阵分析中，结构构件的节点力和节点位移之间的关系 是精确导出的，而在有限元法中，是根据单元内近似的位移函数导出的。单元 类型不同，位移函数也不同。 3 自由度( d o f ，d e g r e eo ff r e e d o m ) ：包括系统自由度和节点自由度。 整个系统的自由度在分析中需要进行适当的约束，系统中每个节点都有各自的 节点坐标系和对应的节点自由度，对于不同的单元上的节点，具有不同的自由 度【1 2 - 1 引。 2 4 用有限元法进行结构分析的基本步骤 利用有限元法进行结构分析，可采用以下解题步骤【1 每1 7 】： 1 结构的离散化 将结构物体分割成有限个单元体，并在单元体的指定点设置节点，使相邻单元 的有关参数具有一定的连续性，并构成一个单元的集合体，以它来代替原来的 结构。 2 选择位移模式 假定位移是坐标的某种简单的函数( 位移模式或插值函数) ，通常采用多 项式作为位移模式时，应该注意以下事宜： 1 ) 多项式项数等于单元的自由度数： 2 ) 多项式阶次应包含常熟项和线性项； 3 ) 单元自由度应等于单元节点独立位移的个数。 位移矩阵为 f ) = ( n ) u 。 ( 2 2 ) 式中， 为单元内任一点的位移， n ) 为形函数， u 。为单元节点的位 移。 3 分析单元的力学性能 1 ) 由几何方程，从( 2 2 ) 式中导出节点位移表示的单元应变为 ( e ) = ( b ) u 。 ( 2 3 ) 1 1 第2 章有限元法及有限元法分析软件 式中，( b ) 为单元应变矩阵。 2 ) 由本构方程，导出用节点位移表示的单元应力为 ( s ) = ( d ) ( b ) u ) 。 ( 2 4 ) 式中，( d ) 是与单元材料有关的弹性矩阵。 3 ) 由变量分析原理，建立单元上节点力与节点位移间的关系式平衡方 程： f 。= k 。 u 。 ( 2 5 ) 式中， 科。式中为单元刚度矩阵，其形式为 k 。= b ) t d b 】d x d y d z ( 2 6 ) 4 ) 集合所有单元的平衡方程，建立整个结构的平衡方程为 f ) = k u ) ( 2 7 ) 上述方程在引入几何边界条件时，将进行适当的修改以满足以上提及的建 立多项式时的第三个注意事宜。 4 求解未知节点位移和计算单元应力 对平衡方程进行求解，解出未知的节点位移，然后根据前面给出的关系计 算节点的应变和应力以及单元的应力和应变。 5 整理并输出结果 通过该步骤可以输出应力、应变以及位移等值。 6 结合计算结果进行一系列后续分析，得到问题的最终分析结果。 2 5 有限元法分析软件的发展 2 5 1 有限元法分析软件的发展概况 有限元法的高度通用性与实用性导致了有限元法软件的迅速发展。随着一 些商业通用有限元软件的出现，它们的应用范围越来越广，能处理的问题也越 来越多，涉及的问题也越来越大。目前国际著名的通用有限元软件有几十种， 针对不同的领域，它们的特点各有不同，然而它们的基本思路是一致的，了解 了一种软件的原理、结构与使用，其他软件也可进行类似分析。 常用的软件包有：s a p , a b a q u s ，a n s y s ，l s d y n a , n a s t r a n ，m a r c ， a s k a , a d i n a 等等。如果对金属结构的应力、应变响应分析及零部件的强度分 析，可以用a n s y s 、a b a q u s 、n a s t r a n 等建模和分析能力较强的有限元软件。与其 1 2 第2 章有限元法及有限元法分析软件 它大型有限元程序相比，a n s y s 的优势在于对工程结构的静力学和动力学分析， 因而在土木、机械和化工等行业的工程应用方面有较好的应用前景。但与 地q u s 相比，它的非线性分析能力和用户界面的友好程度不够，后者在科学 研究领域具有较大的优势。另外，a n s y s 在航空航天领域的专业程度也较 n a s t r a n 和m a r c 等弱，因而目前在航空航天等军工领域，基本上都是使用 m s c 的各种产品( 如n a s t r a n 、d y t r a n 、m a r c 和f a t i g u e 等) 1 7 - 2 2 】。 2 5 2a n s y s 的发展与特点 现代机械结构系统几何结构相当复杂，受的载荷也相当多，理论分析往往 无法进行。想要得到解答，必须先简化结构，采用数值模拟的方法进行分析。 随着计算机技术的发展，a n s y s 软件即应运而生。a n s y s 从工程化、实用化的角 度出发，实现工程设计中的分析计算与分析仿真。所谓工程分析，主要是机械 结构系统受到外力载荷时所出现的反应，例如应力、位移、温度等。根据该反 应可知道机械结构系统受到外力载荷后的状态，进而判断是否符合设计的要求 1 2 3 1 。它是由美国匹兹堡大学力学系教授j o h ns w a n s k o n 博士开发出的颇有影响的 大型通用有限元分析软件1 2 3 洲。该软件在原有结构的基础上，又融热、流体、电 磁、声学于一体使其成为一个功能强大而灵活的大型通用有限元软件。它具有 结构静力分析、结构动力学分析、结构非线性分析、动力学分析、热分析、电 磁场分析、流体动力学分析等功能，同时它还具有良好的用户界面、前后处理 和图形功能，因而受到国际工程界和学术界的普遍欢迎和重视乜引。它广泛应用 于核工业、铁道、石油化工、机械制造、能源、汽车交通、电子、土木工程、 造船等工业和科学研究领域，是世界上拥有用户最多、最成功的有限元软件之 一。目前，a n s y s 已发展到1 1 0 版本。 a n s y s l 撒技术特点硷蚴1 ： 1 良好的优化功能； 2 强大的非线性分析功能，包括材料、几何非线性，接触问题； 3 快速求解器； 4 采用并行计算技术； 5 智能网格划分； 6 可与大多数c a d 软件集成，并有接口； 7 良好的用户开发环境 1 3 第2 章有限元法及有限元法分析软件 通过本节以上分析、比较，本文选择使, 用a n s y s 软件对连续卸船机门座部分 机械结构的强度、动态响应等方面进行研究分析。 2 6a n s y s 进行结构分析的一般步骤 遵循用有限元法进行结构分析的基本步骤，a n s y s 分析步骤如下。摺1 ： 1 前处理( p r e p r o c e s s o o 1 ) 确定所作问题的标题t i t l e 一一本文使用s t r e s sa n a l y s i so f t ra v e u n g p o r t i o n ； 2 ) 设置分析模块。本文使用“s t r u c t u r a l 结构分析模块； 3 ) 定义单元类型和选项。 4 ) 定义实常数； 5 ) 定义材料特性； 6 ) 根据所分析的结构，建立分析模型。 2 求解( s o l u t i o n ) 1 ) 施加位移约束； 2 ) 施加各种形式的载荷； 3 ) 选择求解类型，进行求解本文先后选择了“s t a t i c ”( 静态) 和“m o d a l ( 模态) 两种分析类型。 3 后处理( g e n e r a lp o s t p r o c e s s ) a n s y s 提供了两个后处理器： 1 ) 通用后处理器r ( p o s t l ) - 用来观看整个模型在某一时刻的结果 2 ) 时间历程后处理器( p o s t 2 6 ) ：用来观看模型在不同时间段或载荷步上的 结果，常用于处理瞬态分析和动力分析的结果。本文因为是静态分析，所以采 用通用后处理器p o s t l 。 1 4 第3 章在a n s y s 中建立门座部分有限元模型 第3 章在a n s y s 中建立门座部分有限元模型 3 1 建模要求 要保证所建立的连续卸船机门座部分模型的可靠性和准确性，模型必须满 足以下要求口别： 1 能比较精确地体现门座部分实际结构和受载的情况。 2 在保证条件l 的情况下，因为研究对象结构比较复杂，节点和工况很多， 所以模型要合理简化。 3 模型建立后，如发现设计结构不合理时，模型容易修改和优化。 4 可以得到所有重要部位的应力结果和支反力。并可以达到所有输出要 求。 3 2 建模方法介绍 a n s y s 软件中有两种建模方法：一种是先建立实体模型，然后通过网格划分， 将实体模型划分成有限元模型。这种建模方法的优点是直观，简单，操作方便。 其缺点是在模型比较大而复杂，工况众多时，对计算机性能要求较高，优化和 更改模型困难。另外一种称作直接建模法，就是直接给出节点坐标，继而生成 单元构建有限元模型。这种建模方法的优点是建模思路清晰，计算机运算速度 快，易做优化设计和参数化设计。其缺点是：因为手动定义节点不可能太多， 所以计算结果不够精确。 第一，a n s y s 中图形界面不友好，建立复杂实体模型比较困难；第二，本文 首次对大型连续卸船机的门座部分进行建模分析，参考资料较少，对象结构复 杂且节点和工况众多，所以在建模完成处后，必然会发现建模不当需要改进的 地方，这时希望模型易于修改。鉴于以上原因，本文选择直接建模法踟。 具体做法是：在文本文档中编写a p d l 命令流，然后复制输入a n s y s 命令 行，模型所有参数可以在文本文档中更改和优化，非常方便。首先，根据模型 几何位置关系建立节点：然后创建单元，创建单元的同时，赋予单元截面信 息陟3 ，a n s y s 有两种方式赋予截面信息，一种是定义实常数，另一种是直接调 用a n s y s 标准截面库，本章第三节将分别介绍本文所用到的单元及其输入数据； 第3 章在a n s y s 中建立门座部分有限元模型 最后，将约束和载荷施加到各对应节点和单元上计算求解。 3 3 门座部分构成原理及其有限元模型 3 3 1 门座部分构成原理 3 5 0 0 t h 链斗式连续卸船机门座部分构成如图3 1 所示。门座部分主要作用 是支撑上部构件重量和带动整机行走。它由门座立柱，门座大梁，海侧腿，陆 侧腿和出料支架等组成。图中箭头“日方向即物料运输方向，物料依次经门 座立柱内漏斗和门座大梁上的输送带和其内部漏斗落到出料支架上靠近陆侧的 皮带机上，皮带机沿出料支架上的轨道移动，把物料输送到出料口。 图3 1 门座构成示意图 3 。3 2 门座部分有限元模型 对应门座部分有限元模型节点和单元划分如图3 2 和图3 3 所示，圆圈“o 内数字为单元号，无圆圈数字为节点号。本文门座模型共建立了3 6 8 个节点和 1 6 第3 章在a n s y s 中建立门座部分有限元模型 2 8 6 个单元。模型分成以下6 个部分。 图3 2 门座部分有限元模型节点和单元划分一 1 7 第3 章在a n s y s 中建立门座部分有限元模型 图3 3 门座部分有限元模型节点和单元划分二 1 海侧腿有限元模型 海侧腿节点和单元划分如图3 2 所示。海侧腿上节点有：1 4 3 1 5 2 、3 4 3 3 5 2 、 5 0 1 5 0 4 、1 6 3 和3 6 3 节点。单元1 4 6 - 1 4 8 ，3 4 6 3 4 8 截面形状为箱体结构，如图 1 8 第3 章在a n s y s 中建立门座部分有限元模型 3 4 所示；单元1 4 9 - 1 5 4 ，3 4 9 3 5 4 截面形状为工字钢，如图3 5 所示。因为此 部分单元主要承受拉压和弯曲作用，所以在a n s y s 建模时，本文选择用b e a m 4 单元。 b e a m 4 是一种可用于承受拉、压、弯、扭的单轴受力单元。这种单元在每 个节点上有六个自由度：x 、y 、z 三个方向的线位移和绕x 、y 、z 三个轴的角位 移。可用于计算应力硬化及大变形的问题。通过一个相容切线刚度矩阵的选项 用来考虑大变形( 有限旋转) 的分析。 b e a m 4 输入实常数数据包括：单元截面面积，平面内两个方向上的宽度、 高度尺寸和转动惯量。输出数据包括：轴向正应力、梁内单元截面上的弯曲应 力、梁内单元截面上的弯曲弹性应变、最大应力( 正应力+ 弯曲应力) 等口2 删。 图3 4 单元1 4 6 1 4 8 ，3 4 6 3 4 8 截面形状 l_ j 图3 5 单元1 4 9 1 5 4 ，3 4 9 3 5 4 截面形状 2 陆侧腿有限元模型 陆侧腿结构与海侧腿相似，节点和单元划分如图3 2 所示。陆侧腿上节点 有：1 8 3 - 1 9 3 ，3 8 3 - 3 9 3 ，5 4 1 - 5 4 3 ，1 7 6 和3 7 6 等节点。单元1 8 6 1 8 8 ，3 8 6 3 8 8 截面形状如图3 4 ；单元1 8 9 - 1 9 5 ，3 8 9 3 9 5 和5 4 3 截面形状如图3 5 。在a n s y s 建模时选择用b e a m 4 单元。 1 9 第3 章在a n s y s 中建立门座部分有限元模型 3 门座大梁有限元模型 门座大梁节点和单元划分如图3 2 所示。门座大梁上节点有：5 1 1 - 5 2 8 等。 单元5 1 8 5 2 9 截面形状为箱体结构，如图3 6 所示。因为此部分单元主要承受 拉压、弯曲、扭转和剪切作用，所以在a n s y s 建模时，本文选择用b e a m l 8 8 单 元3 2 。制。 b e a m l 8 8 单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构，该单元基于铁木辛 哥梁结构理论，并考虑了剪切变形的影响。本单元支持弹性、蠕变及塑性模型 ( 不考虑横截面子模型) 。它的截面可以是不同材料组成的组合截面。 b c a m l 8 8 从6 0 版本开始忽略任何实常数。它是通过调用截面库中的数 据来赋予单元截面信息的。输出数据包括：轴向应力、梁内单元横截面上的弯 图3 6 单元5 1 8 - 5 2 9 截面形状 曲应力、弯曲弹性应变、剪切力、扭矩、剪切力引起的和扭矩产生的剪切应变 在盘 专手o 2 0 第3 章在a n s y s 中建z i - j 座部分有限元模型 4 门座立柱有限元模型 门座立柱节点和单元划分如图3 2 所示。门座立柱上节点有5 1 9 和5 3 1 - 5 3 4 节点。单元5 3 0 5 3 3 截面形状为管状，如图3 7 所示。又因为此部分单元主要 承受拉压、扭转、和弯曲作用，所以在a n s y s 建模时，本文选择用p i p e l 6 单元。 p i p e l 6 单元是一种单轴单元，具有拉压、扭转、和弯曲性能。该单元在两 个结点有6 个自由度：沿节点x 、y 、z 方向的平移和绕结点x 、y 、z 轴的旋转。 该单元基于三维梁单元( b e 锄4 ) 创建，包含了根据对称性和标准管几何尺寸进行 的简化。 p i p e l 6 单元输入数据包括：截面壁厚与管外径。输出数据包括最大主应力、 轴向应力、扭转产生的剪切应力、剪切力产生的剪切应力、最大当量应力和轴 向、径向、环向与剪切应变等一1 。 图3 7 单元5 3 0 5 3 3 截面形状 5 海腿撑杆有限元模型 2 1 第3 章在a n s y s 中建立门座部分有限元模型 海腿撑杆节点和单元划