桥式抓斗卸船机船运绑扎结构强度分析

洪品  沈泉

（上海振华重工（集团）股份有限公司 上海 200125）

摘要：本文介绍某1250TPH抓斗卸船机整机船运绑扎方案，利用ansys软件建立卸船机整机模型、施加载荷模拟实际船运工况，得到卸船机在横浪、迎浪、斜浪情况下整机的结构应力，并对机房底架螺栓进行校核，验证了船运方案的合理性，为小型卸船机船运方案设计提供依据和参考。

关键词：卸船机；整机船运；有限元分析

Abstract: This paper introduced ship binding solution of a 1250TPH ship unloader. In order to get the structure stress of the ship unloader in the case of head sea,beam sea and oblique sea, the finite element model was established with ansys software and the loads were applied to the model in accordance with the actual shipping conditions. Otherwise, the bolts of the equipment room underframe were checked. The rationality of the shipping scheme was verified and reference for the shipping scheme design of small ship unloader was provided in this paper.

Key words: ship unloader; shipping of the whole machine; finite element analysis

桥式抓斗卸船机具有技术成熟可靠、效率高、运营成本低、机动灵活、作业受波浪影响小等特点，是目前世界上应用最广泛的散货卸船设备之一。为了减少码头用户的成本，缩短卸船机在码头安装调试时间，采用整机船运运输方式很有必要，而这也成为港口设备制造企业的核心竞争力。由于卸船机整机结构重量大、重心高、体型大和海上运输工况的复杂性，对整机设备进行正确的绑扎，是运输过程中必须考虑的问题。

本文介绍了某1250tph卸船机整机船运绑扎方案，利用ansys软件模拟实际运输工况，对其进行有限元分析，得到卸船机在横浪、迎浪、斜浪情况下整机的结构应力，并对机房底架处连接螺栓进行校核，对卸船机船运运输方案完善具有参考意义。

• 建立有限元模型

以某1250TPH卸船机的运输为例，其自重约1200T，前伸距38m，后伸距16m，轨距16m，基距17m。由于卸船机结构较复杂，采用实体单元或壳单元建模计算量太大且费时，主要用梁杆单元建模。这里主要用到4种单元：BEAM44、LINK10、PIPE16、MASS21。金属结构中多为箱梁结构如前后大梁、门框立柱等用BEAM44单元模拟，拉杆和钢丝绳用LINK10单元模拟，门框中大斜撑和门腿绑扎撑管用PIPE16单元模拟，机房、卸料系统、安全钩等不能用杆梁单元建模但是其质量又不能忽略的部件用质量单元MASS21模拟。因为有限元模型对整机进行了简化，按照材料真实密度计算，施加重力加速度后得出重量会比实际结构重量轻，需要调整材料密度来模拟实际整机重量。每个部件的密度可以通过计算支反力与实际重量比值，再折算成材料密度的方式调节。本文中有限元模型共有521个节点和632个单元，具体模型见图1。

图1 卸船机有限元模型

• 船运绑扎方案

船运绑扎主要包括：(1).针对局部结构刚度不够导致的变形过大、局部失稳采取措施；依据增加结构的刚度来减小结构变形，具体措施主要是用钢丝绳绑扎[1]。绑扎的形式通常有：海陆侧门框对角线处钢丝绳绑扎，前大梁与上横梁之间钢丝绳绑扎，门框联系横梁与甲板之间钢丝绳绑扎。(2).整机与甲板之间的固定,使整机和运输船形成一个整体；形式主要是增加临时撑管，并将撑管与甲板焊接在一起。根据焊接的位置不同，撑管又分为横向、纵向撑管，如图2、图3所示。(3).针对卸船机上可移动部件如主小车的绑扎。

根据航行工况，本次船运采用绑扎方案是：用2根Φ50mm钢丝绳加10t预紧力对海侧门框对角线进行钢丝绳绑扎，用1根Φ50mm钢丝绳加10t预紧力对陆侧门框一条对角线进行绑扎，因为另一条对角线绑扎会与司机室停机位置干涉。钢丝绳规格为；海陆侧下横梁与甲板之间焊接12根撑管，其中横向撑管规格是Φ800x12，纵向撑管规格是φ609x10。

图2 横向撑管

图3 纵向撑管

• 载荷计算

    卸船机船运计算载荷包括：重力、风载荷、波浪对船舶作用产生的惯性力和侧倾力。

• • 风载荷

    风载荷大小和风速、迎风面积、风载系数有关，根据FEM规范里公式：风载荷等于风载系数与迎风面积、风压的乘积。由于卸船机结构较复杂，这里风载荷只能根据公式近似估算，再以均布载荷方式施加在整机迎风面上的各节点处。设计风速V=26m/s，风载系数和构件的空气动力细长比，充实率，间隔比，截面尺寸比等有关[2]。风载荷方向分为沿主小车运行方向和沿大车运行方向。

• • 船运加速度

    船舶在风浪中运动可以分解为6个自由度的运动，分别为沿x轴、y轴、z轴方向的平移加速度，绕x轴的横摇角加速度，绕y轴的首摇角加速度，绕z轴的纵摇角加速度。实际计算中利用耐波性计算软件把以上6个自由度线性叠加得出最终的加速度方程。

该项目船运航线为从上海长兴岛至广州新沙，航程约8天。设计有义波高基于波浪数据库中数据和船运航线查询得到[3]，这里有义波高Hs=4.5m。然后利用装载仪、耐波性计算软件得出卸船机运输过程中的船运加速度方程。耐波性计算软件得出卸船机在迎浪、横浪、斜浪情况下船运加速度方程见表1。

表1  加速度（MPME）

注：H为轨道踏面以上高度，g为重力加速度，MPME: most probable maximum extreme;

3.3载荷组合与工况

    将H=0代入表1中线性方程，分别得到在x、z方向的线性加速度，线性方程的斜率部分分别转化为绕z轴、x轴的旋转角加速度。根据横浪、迎浪、斜浪情况下6个自由度方向的加速度和不同风向组合，得出8种工况下的载荷组合情况见表2。

表2工况

• 边界条件

    前后大梁铰点处采用释放绕y轴方向旋转自由度、耦合节点的方式模拟。因为绑扎撑管焊接在甲板上，所以需约束撑管处的6个自由度，而卸船机大车车轮处需要释放大车行走方向平移和旋转自由度。

• 计算结果

    结构材料屈服应力为345MPa，根据欧洲起重机设计规范fem规定，安全系数为1.1，得出材料许用应力为313MPa。经过编写载荷步计算得出卸船机在8种工况下的应力云图，结果表明在工况S1结构应力最大为255.4Mpa，应力最大位置位于面海右侧海侧立柱上，见图4，说明船运工况下结构强度符合要求。

图4 工况S1整机应力云图

整个运输过程中绑扎撑管的强度对于能否安全抵达目的地是很重要的，因此在后处理过程中提取8种工况下纵向、横向绑扎撑管应力，其中S1工况下应力最大为173.8MPa，见图5，表明撑管强度符合要求。

图5 工况S1撑管应力云图

6.

• 机房底架螺栓受力计算

从表1中可看出耐波性计算得出船运加速度线性方程和高度有关，加速度值随高度增加而变大。卸船机机器房位于门框结构上方，高度较高，因此其在横浪、迎浪、斜浪情况下承受的线性加速度载荷不能忽视。分别计算横浪、迎浪、斜浪情况下机房底架螺栓的受力。机房底架重心高度H=44.8m，机器房重量 W1=240t。

这里主要考虑螺栓横向载荷，横浪情况下根据表1：

螺栓受横向载荷小于结合面摩擦力符合要求。同理经过计算迎浪和斜浪情况下螺栓受力都符合要求，表明机房底架螺栓强度符合船运运输要求。

7. 结语

随着科技发展，计算机辅助技术凭借可以大大降低产品设计研发过程中的成本和风险而得到越来越广泛的应用，有限元分析技术就是其中一种。在卸船机的运输方案设计过程，通过ansys软件建立卸船机整机模型、施加载荷模拟实际船运工况，计算得出卸船机整机的结构应力响应，优化了船运绑扎设计，提高了设计可靠性，降低了成本。本文通过对卸船机绑扎方案进行分析计算，验证了对门框对角线进行钢丝绳绑扎，下横梁与甲板之间焊接横向、纵向撑管方案的合理性。经过分析发现8种工况下，立柱下部、机房底架、前大梁铰点附近这几处应力较大，在设计阶段可以增加这些位置处的板厚适当加固这些结构。

参考文献：

[1] 贾攀攀,黄龙波.岸桥整机海运结构分析方法研究[J].中国港湾建设,2019,39(2):5-9.

[2] FEM 欧洲起重机设计规范[S].北京：中国标准出版社，1998.

[3] 朱建国,伦灿章.重大件海上整机运输技术[J].中国港湾建设,2017,37(2):68-73.

[4] 王永田,文俊华.船厂门式起重机整机远洋运输结构强度分析[J].港口装卸,2017,3:22-25.