外文翻译-污泥船有限元与使用性能分析

毕业设计（论文）外文文献翻译题目污泥船有限元与使用性能分析学生姓名学号学部（系）机械与电气工程学部专业年级机械设计制造及其自动化4班指导教师职称或学位教授2013年3月30日外文文献翻译污泥船有限元与使用性能分析回顾排水式可升降淤泥船的前期准备工作有限元建模和使用能力分析。文章信息文章来历摘自2012年7月6号，2012年9月27日修正，2012年10月6日通过，2012年12月5日网上有效。关键词排水式淤泥船，起重机，使用能力，有限元建模，有限元连接。摘要有限元建模和起重机是排水式淤泥船设备中常见的一部分，本篇论文针对这两部分提出了一个很有用的概念。这些淤泥船通常由两个起重机组成类似于双体船的泵船为主伸臂式起重机和船首区域的辅助起重机。这里专门讨论起重机结构FE模型的优缺点，目的是为了避免主吊机械在频繁的运动状态中出现泥浆泵故障。就转臂式起重机实际结构特点的精确设计而言，与那些简单的而且不足的模型相比，这里基本的目的是为了强调虽然复杂但很实用的数字模型的优势。在那种情况下，我们研究的结果可能在结构设计阶段成为一种FE建模阶段的模板。1介绍用来开发利用水面下材料淤泥船，它的分类，水面以下的材料，大部分是斗士挖掘机其中一系列链条上的斗由转臂式起重机结构支撑，如图1所示。挖掘工作是通过移动斗进入河床中来完成的，斗，挖掘的持续性依赖于斗的尺寸和它们之间的距离，就和链的速度与长度一样。由于转臂式起重机侧面变形很大，所以运行时最频繁的故障（使用能力）是链自由运动时停止所导致的。由于转臂式起重机的数字模型不正确所导致的转臂设计不合理，所以也是出现这类故障所常见的原因。本文在挖泥工作状态下，基于梁结构考虑了转笔式起重机合理的有限元模型，把转臂式起重机正确的有限元建模结构当成梁作为淤泥船工作的工具，而且在运行和修复的情况下，把船首式起重机当做转臂式起重机的操作设备。本文论述此类结构35的有限元分析相对较少，它们主要的特征是运用复杂模型，但仅仅只分析了一部分重要的结构。其他种类的论文介绍了最简单的模型，这对于模拟转臂的实际运动来说还不够，另外，总的来说，这些情形激励了作者去研究其他模型，例如，将转臂式结构的整体建模转变为高级技术的可能性。由于开发的条件，这类淤泥船的转臂式起重机结构和设计应该满足几个相对的需求，而且在积极的工程意义上，它的设计应该是一种折中方案。转臂的承受能力是主要的和强制性的。所有结构元素的压力条件必须在限定范围之内，不能出现失效状态。转臂的结构稳定性也是结构连续上的另一个要求。因为它是一个薄壁结构，出现局部稳定性是可能的，所以总体屈曲是有问题的。图1伴有主体升降机和船首区域辅助起重机的淤泥船使用情况是条件与实际机器利用条件情况一致情况下的工作状态是假如条件是实际利用机器情况，它的效率与刚度有关，例如，连续工作状态下，结构变形与位移，由于所谓“不可抗力”情况的出现，可能导致故障。上述所提到的情况与小部分的转臂式升降机的需求相反，这是因为利用和维修的灵活性和淤泥船的能源效率差不多。还有，转臂结构需要用少量的钢来制造，并且设计要简单，还要考虑花费最少的成本。根据前面所描述的事实，很显然，最后阶段的设计就是转臂结构系统的选择（例如结构元素的拓扑结构）和结构细节的设计。而下一个重要的阶段就是选择可靠的数字模型，这能仿真各种运动下的实际结构的特性和预测可能出现的故障状态，而且这才是本篇论文的中心。该论文侧重分析各种有限元模型应用于这种类型结构时的优点和问题。其主要的目的是强调其对转臂结构实际特性应用复杂和合理数字模型优点。研究的结果可能有利于提高此类结构在建模过程的效率。提出方法的背景在应用的结构分析领域，目标通常是最优模型，严格的说，最优的项目是最优进程产生的结果，找到最合理的选择可能意味着实际工程当中的最优化，像那种优化之后模型的近似最大可能的满足实际设计中要求的质量。模型的选择最终依赖于拓扑结构，功能的配置，和假定的结构响应。斗式排水淤泥船的转臂的长度与其他的尺寸相比显得很突出，它是一种随壁厚变化的薄壁结构，其侧面刚性元件增强了承载能力和结构的刚度。前期的分析，一维模型，例如梁的有限元模型是满足的，但是只由元素近似尺寸决定。接下来的步骤就是对模型的应用用二维的有限元进行表面复杂的分析，而且是对所有模型的细节，正确的边界和接触面的条件和运行进行分析。非线性运转的分析（几何非线性而不是材料非线性）和自由振动分析，对获得实际结构的响应都很有帮助。最后，当外部压力分配在相当小的表面上时，如果在局部区域产生应力集中，或者如果正交于中面上的应力不能忽略时，三维有限元模型的应用就是必要的。正如上所述，这些模型很复杂，而且对于转臂结构全面分析和局部影响的检查所需要的费用很昂贵。转臂上薄壁结构的特性在二维模型中可能是相当好的，在二维模型中，正交方向的表面压力是忽略不计的，还有，假设中板不存在剪应力也是合理的。这些情况表明了使用基于基尔霍夫有关金属薄板弯曲理论模型的可能。另外，对于大而厚的金属板，用REISSNERMINDLIN模型来分析厚板的弯曲是有必要的的，为了避免所谓的剪切闭锁现象的出现，厚的金属板应考虑剪切的影响，那样就能得到比较满意的结果。简单的数字测试将会说明二维有限元模型与一维的有限元模型相比之后的优势，测试的结果将会成为最终有限元模型选择的主要论点。测试不代表一维模型典型特性，但是提醒应用最简单模型的问题和风险是十分重要的，这也就是说，基准测试应该成为最终有限元模型选择方法的一个重要的部分。图2一维和二维模型位移，主应力，最低固有频率此次分析为了均匀的分配载荷（斗和链的重力），图2表明了特征点处主应力和垂直位移，以及一维模型（顶部）和二维模型（底部的固有频率。一维模型的形成来自于梁的有限元（2400/1000MM的长方形断面，壁厚20MM），并且在拓扑意义上它与用矩形壳做出来的二维模型是一样的（包括等参数，九个节点，混合优势，壁厚20MM），而且两种模型的边界条件也是一样的,并都满足于现实的转臂支撑条件。很显然，图示二维S1与S2的主应力精准性是简单一维模型的175到1175倍，而垂直位移是差不多的。其影响因素为154到180，更多的是，二维模型中的固有频率是一维模型的18倍，这里有必要说明，两种模型都有相同的最低固有频率（侧面曲线）。相同条件下结果不同表明了，在分析转臂时，对更加复杂的二维壳进行有限元分析是很有必要的，测试清楚地表明类似的模型在结构上也存在不同的数据，有时，也会在承受力，泥浆泵和使用寿命上的风险产生错误的结果，最后会限制更复杂模型在运用上的需求。前期二维模型的计算时间与一维比较起来会减少，因此，这种模型在工程意义上是支付得起的。制造二维模型需要更多的时间和设计者的能力，但是利益是比较少的，在这种意义上，所有长远的考虑将会应用在二维壳的有限元数字模型上。3，转臂结构有限元模型的介绍因为新的产品需要，转臂式升降结构在最初的长度上从355M延长到49M，新增加的部分在图3中表示。通过二维板壳有限元与一维相比，在加强设计和长度结构以及控制这些故障之前，我们在以前的淤泥船的使用寿命上强调泥浆泵故障的问题是很重要的。这些故障是由于最初的设计的不正确性以及模型在数字设计分析上的不合适所导致的。转臂长度的增加有以下影响增加轴向的、弯曲的、扭转的灵活性以及惯性，例如，固有频率会降低那些最初的使用寿命。在这种意义上，结构上的加强要有充足的计划是应该的。在建模时，有限元软件AXISVM112C已经使用过了，而且XISVM能够对线性，非线性，静态，动态结构的各种类型的运转进行分析。在转臂结构的几何模型上，用非自动化的方法进行网格划分已经存在了，主要有以下几步设计不同类型和尺寸的强肋（在对称的一边）。在合适的部位浇筑加强肋，例如，形成结构轮廓和用盖板连接肋的部位（对称边）。如图5精心设计支撑部位，例如，转臂绕垂直平面旋转的轴，如图6，增加其他的对称边，如图7像这种方法，就会使得有限元网格划分到差不多最小的单元总是矩形的有限元（这对计算效率来说很重要），而不是重要的形状弯曲划分，这对于计算当中产生最少的错误来说，是一种很有效的解决方法。图3转臂结构增加部分的再构造图4转臂框架上的肋的半边尺寸4构建单元，边界条件和运动。为了在数字意义上获得稳健和高效的模型，所以在前面部分中提出了模型设计的概念，在含有6525个节点和7188个板壳有限元的结构中，其自由度的数字为140838。结构钢为S235（235KN/CM和36KN/CM为屈服极限和破坏极限），这适合于所有结构单元。合理的简单化和计算的效率就很重要，当能够做到以下时在设计过程中简单和快速的模型转化不同的作用模型（载荷，温度变化，施加约束，制造缺陷，偶然情况）不同类型的分析（线性分析，几何材料的非线性分析，弯曲分析，自由振动分析，时程分析等等）。图5框架上肋之间盖板的一部分（转臂式淤泥船的一边）图6转臂式淤泥船结构铰链支撑的细节图7转臂结构的有限元模型的完成把结构单元取近似值不会产生很大的困难。矩形板壳的有限元（九个节点的混合类型）和七个节点的矩阵有限元之所以被应用，这是基于REISSEN理论。在这个有限元单元的每个节点上，都有六个自由度，包括三个移动和三个转动。在这里，在有限元的平面上强调介绍三个转动的自由度是很重要的，这是比较满意的部分。这个尺寸、形状、分散力，以及用那种方式选择有限元模型并使其成为这样的编号，就是为了避免出现结构和数字上不想要的情形由于错弯曲变形的存在，应力集中（除了在形状有需要的情况）和计算误差就会出现。下一步要求构建结构系统的支撑区域，这个区域能够承受随着离心率变化而变化的刚性冲击，就和那些结构单元用一种特殊方式连接一样，例如，限制边界和接触面的条件。对于观察中的转臂结构，支撑条件对于模型来说很简单，例如，绕转臂自由旋转的轴（如图8）承受由排水设施的甲板结构底座所给的压力。对模型来说，让转臂能够绕轴完全自由（或者有一点点的摩擦）的旋转并且不存在其他的自由度是必需的。这能通过运用所谓特殊连接的有限元来获得（详细参照图1315），这些是只有两个节点并且每个节点有六个自由度的一维有限元所才能达到的。链的有限元是用来建模时连接的和其他特殊条件下连接的，通常，这种标准的有限元结构一般是在普通节点处直接连接的，如果两个相连的有限元结构没有普通的节点，那么链的有限元就有用了。通过调节刚度和起限制性因素的条件（所谓的表面上的点），其中一个就能够建立一系列不同的连接模型，而且都很精确，但存在着少部分材料的摩擦。链的有限元在两种情况下被运用在转臂盖板之间建立转臂轴的连接和建立大量的偏心式的连接点。转壁轴的连接实际上是用圆形铰链连接的，这是为了使其只需绕轴转动。图8的上部分是一个链的有限元分散之后的铰链模型。如图所知，链的有限元在梁的结构轴线上和转臂铰链上的板壳结构上各加了一个节点。建立绕Y轴自由全转动的模型是可以在链的有限元定义中将相应的旋转刚度设置成为零值来实现的。另一种情况是在连接偏心处增加薄壁盖或加强剂，如图8下部分所示。而相反的情况就是自由旋转下的连接，此时所有链的有限元的六个强度限制都有一个非零的比较大的数值，这样可以在没有相关约束和任何旋转方向的情况下会使焊接的效果更好。在某些情况下，这是很重要的，尤其是在薄膜力较大的情况下。与运行状态相关的转臂配置为修复，运输，以及三个排水位置。某些驱动力是以主发动机（450KW）的能量为标准的，并在淤泥船运行传输过程中会有所损失。运转情形如下A转臂升降机自重（G765458KG）B空桶重量（Q94KN/M）C满载重量（Q158KN/M）D前轮重量（G50KN）E排水驱动力（F2735KN）F链斗驱动力（F5607KN/M，近约25斗/分）G前载荷推出力（F150KN）H侧载荷推动力（F77KN）I待定部分链的重量（G220KN）如图8铰链支撑的链的有限元模型（上）和离心式连接（下）八个配置与水平线成12度位置的转臂修复部位和传输部位。18度位置的转臂编号A,B,C，成45度位置的转臂标号A,B,C有效配置如下修复配置（A）（B）由前置升降机支撑的转臂传输配置（A）（B）由航道船支撑的转臂图9前置升降机结构的有限元模型表1转臂式升降机的最大约束和约束比例转臂式升降X轴约束Y轴约束Z轴约束机的配置18B4462L/10987166487418C321411211360845C124911253L/3915232L/937图1045C转臂式升降机Y轴约束图A状态（A）（C）（D）（E）（F）（G）（H）由前置升降机支撑的转臂B状态（A）（C）（D）（E）（F）（G）（H）由航道船支撑的转臂C状态（A）（C）（D）（E）（F）（G）（H）（I）由前置升降机支撑的转臂最初的前置升降机的有限元建模也曾考虑使用，但有限元建模后有1114个节点，1367个壳的有限元单元，有24780个自由度，钢为S235，如图9如下所示为转臂式升降机的载荷限制转臂式升降机自重。淤泥船状态的装载开发。（工作状态为18C）修复条件的装载（12度修复）这种装载限制由两种配置分析过前面优先的前置升降机的修复（C1）和侧面优先的前置升降机的修复（C2）自重是自动产生的，是在其它载荷统一分散并运用的时候就有的，这是为了避免应力集中，但却不是真正的状态。如图11主应力分散在18B转臂式升降机上如图12主应力溢出在18B转臂式升降机上接下来的分析也完成了线性弹性静态分析，非线性弹性静态分析（例如，几何非线性分析），自由振动分析，和线性弯曲分析。因为对使用寿命进行了实际评估，所以几何非线性分析也完成了，这也是因为材料水平约束限制了预算中正确的链的功能。由于安装设备数据的不足，材料的非线性分析却没有完成（如前轮，发动机设备等）。那也就是说，这个项目因为材料的刚度影响了整个结构系统的刚度，因此，导致了力的分散。因为我们把自由振动频率和运行时的频率相比较，确定了动态响应与静态响应的比率，随后，自由振动分析就完成了（所谓的动态因素）。屈曲分析（依赖于约束与变形理论）也完成了，因为一些结构单元的局部不稳定出现的可能。5结果与探讨根据计算结果所进行的理解性的分析，接下来的事实应该被强调首先，五种转臂结构其内在的固有频率为087HZ到687HZ（空载状态）和从078HZ到639HZ（满载状态）。由于运行环境的限制，只有用斗式链运输产生的作用才会被当做是动态的。传输速率（25斗/MIN）随着时间就会运转正常。图13主应力溢出在18B转臂式升降机上如图14主应力分散在18B转臂式升降机上在谐振频率为04HZ下作用的结果与在固有频率下链的移动方向相比起来是远远不够的，在这种意义上，谐振条件下出现问题的可能性就不可忽略了。挤出载荷是最不利的，同时也是我们最不愿看到的，其屈曲系数一般为9518。这说明安全稳定系数对使用寿命的影响是很大的。几何非线性分析指出，从工程师的观点来看，因为运转的配置和转臂结构的非屈曲性，所以这种结果是与线性弹性分析产生的结果是相类似的，。侧面约束和主应力对使用能力和转臂的承受能力来说很重要，而且这些影响将会全部的表现出来。根据最大约束和主应力值的标准，对有限元分析产生的结果进行比较之后。我们会知道最不想出现的结果如下图15主应力溢出在18B转臂式升降机上如图16主应力溢出在18B转臂式升降机上18B状态为B转臂角度为18度45C状态为C转壁角度为45度这些配置的特征值（对于18C来说，由于比较的原因）在这里被呈现。表格1说明升降机自身坐标系统的最大约束值和约束比例。图10说明的是45C配置上Y轴约束的表格，足够小的约束值对链的正确运转有很重要的影响，链的运转影响淤泥船挖掘的量。在这种情况下，转臂式升降机的约束范围就比Y方向11253MM处的约束大391倍。根据实际经验，比350还要大得多的跨度/约束比率对于改变这种污泥船的使用寿命来说，其值影响是很大的。图11到16陈述的是的可承受压力区主应力分散与溢流（应力大小为16KN/MM）在配置18B与18C上的情况。为了维持航道船运行区域（B配置），在转臂上强调应力溢流是很重要的，这最初也是简化转臂式升降机结构的结果，也即是说，假设那些没有引荐到模型当中来的装备是合理的（轮子，发动机等），这些装备有助于增强转臂结构的刚度，除此之外，结构上的方法（结构详细建模与钢化）是用来减少这些区域的压力以便在可允许的范围内。图17前置升降机在C1上的主应力图18前置升降机在C2处得主应力图17与图18说明的是前置升降机两种配置上的主应力，一般不希望出现的部位是在C2上。最大主应力为15,73KN/MM，最大主应力的范围很小，只有一种情况能够假定，就是实际支撑压力比可承受的极限还要小的时候，而这是由于结构的详细构造所决定的。6结论。从上所述得出，很明确的说，转臂结构的分析，作为一个很复杂的任务，要求细心的考虑，考虑的不仅仅是结构单元，还有结构单元之间的支撑与连接。我们已经强调过一维模型的优点，但在最后的选择中取消了使用一维模型。由于结构的复杂化（横向加劲肋，圆柱铰，离心式连接等），所以只有用二维有限元分析才可以。在模型的连接上，我们要特别关注一下有限元连接，这能使得内部条件得到更好的模拟。在不同的条件下，这种模型的复杂化和精确度能使我们详细的知道转臂式升降机结构的真正运转以及估计出正确的使用寿命。另一方面，提出的模型与建模算法也应当是合理的，因为它们适合于各种设计中的条件。用那种方法对于构建这些类型的模型来说，它是一种不昂贵的、可靠地、稳当的和经济合理的基础设计。参考书1VLASBLOMWJ的排水装置和技术。斗式或上升时淤泥船，演讲笔记。荷南代尔夫特理工大学20042RUSINSKIE，CZMOCHOWSHIJ，MOCZKOP，数字与实验分析，JAUTOMCONSTR2008。3SHINDESD，有限元模型转臂式升降机的标准与限制性因素上的建模。INTJRECENT