抓斗挖泥船起升系统动载荷研究

刘　亚　苗　明

大连理工大学机械工程学院



抓斗挖泥船起升系统动载荷研究

刘亚苗明

大连理工大学机械工程学院

借助于Pro/E、ANSYS、ADAMS等软件建立了抓斗挖泥船起升系统刚柔耦合模型，在ANSYS Workbench平台中计算得到了抓斗所受水力载荷；对挖泥船起升作业进行了动力学仿真，得到了起升速度对动载荷的影响关系，可为抓斗挖泥船的设计计算提供参考。

抓斗挖泥船； 刚柔耦合； 水力载荷； 动载荷

1　前言

抓斗式挖泥船是一种使用广泛的工程船舶，其使用回转挖泥机的臂架及绳索悬挂抓斗，通过绳索系统控制抓斗实现挖泥作业，在港口建设、河道治理等诸多工程领域中发挥着重要作用[1]。但是与国外先进水平相比，我国挖泥船行业无论是在理论研究还是设计建造环节都存在一定差距[2]，很多设计计算还依靠经验公式。虽然国内在起重机方面的研究较多，但大多是针对陆用设备，对于水上起重设备的研究不够充分，而抓斗挖泥船水下起升作业时，水对于抓斗的作用力不容忽视。因此，以某型18 m3抓斗挖泥船为研究对象，对挖泥船起升作业过程进行动力学仿真分析，为挖泥船的设计计算提供依据。

2　刚柔耦合动力学模型的建立

抓斗挖泥船起升系统主要由臂架、抓斗、转台、人字架、绳索系统等组成。臂架作为角钢焊接桁架结构，其柔性对系统运行具有较大影响，因此在有限元分析软件ANSYS中建立臂架的有限元模型，通过ANSYS的接口输出模态中性文件*.mnf到ADAMS中，以此建立臂架的柔性体模型[3]。抓斗、转台与人字架结构刚性相对较大，因此作为刚体处理，并对不影响仿真计算的细节进行简化处理，使用Pro/E建立其三维模型，通过*.x-t格式导入到ADAMS中，并在ADAMS中修改抓斗、转台及人字架的质量属性，使其符合实际情况。绳索系统使用ADAMS中的Cable模块直接建立。添加各部件之间的运动副关系，建立刚柔耦合的挖泥船起升系统动力学模型。

2.1臂架模型的建立

抓斗挖泥船臂架为角钢焊接桁架臂式结构，在有限元软件ANSYS中建模，单位制统一为mm、kg、N、s，弹性模量设置为2.06 E+005 MPa，泊松比设置为0.3，密度设置为7.85 E-006 kg/mm3，弦杆与腹杆采用基于铁木辛柯梁结构理论的三维线性有限应变梁单元BEAM188，底节与臂头部分的板结构则采用四节点弹性板壳单元SHELL63，按照臂架实际尺寸分别赋予BEAM188单元对应的截面参数，并赋予SHELL63单元不同的实常数。网格划分完成后使用质量单元MASS21在臂架根铰点、臂头滑轮铰点以及绳索连接点等处建立刚性区域，作为ADMAS中约束副、载荷及绳索连接的节点，建立臂架有限元模型。

有限元模型建模完成后，在ANSYS求解模块中的ADAMS Connection接口下，将各个刚性节点选作为外连节点，在将计算出的模态中性文件导入到ADAMS中后，这些外连节点上将会生成Marker点。抽取模型的十二阶模态，单位制采用用户自定义的方式，Length Factor设为1 000，Mass Factor、Force Factor、Time Factor均设为1，求解并导出为*.mnf文件，通过ADAMS的Flex模块导入到ADAMS中[4]。删除一些不影响计算结果的高阶模态，以提高仿真时的计算速度。

2.2钢丝绳模型的建立

绳索系统在ADAMS的Cable模块中直接建立。ADAMS/Cable模块的建模运用了有限元离散化思想，使用轴套力对离散小球进行柔性连接，可以方便快速地对钢丝绳、滑轮及卷扬等进行参数化建模并实现良好的仿真效果[5]。按照挖泥船实际结构依次在Cable模块中设置Anchor(锚点)、Pulley Properties(滑轮属性)、Pulley(滑轮)和Cable(绳索)[6]，其中锚点和滑轮与柔性臂架的连接通过在相应位置创建虚构件并将虚构件与柔性臂架固定在一起实现，钢丝绳参数设置如表1所示。

表1　钢丝绳参数

2.3添加约束

各部件之间通过约束副相连，约束类型及数量见表2。

表2　刚柔耦合模型约束副

按照上述方法建立的刚柔耦合模型见图1。

图1　刚柔耦合模型

2.4驱动函数

在对抓斗挖泥船进行动态仿真过程中，需要定义钢丝绳的起升速度以及转台的回转速度，使用ADAMS提供的STEP函数来进行模拟，STEP函数的表达式为STEP(x,x0,h0,x1,h1)。其中x为自变量，仿真中以时间作为自变量，x0为自变量初始值，x1为自变量终止值，h0为函数初始值，h1为函数终止值。

3　仿真分析

3.1仿真条件

以某型18 m3抓斗挖泥船为研究对象，其额定起重量为100 t，起升速度0～72 m/min，回转速度0～1.5 r/min。

挖泥船在起升过程中因惯性力和冲击而产生动载荷，以动载系数k表征动载荷的大小，即

(1)

式中，Fmax为最大受力；Fmg为抓斗总重力。

挖泥船在挖掘起升的过程中会产生一个起升动载荷，使得实际起重量大于抓斗总重量，且不同的起升速度将产生不同的动载荷[7]。同时由于抓斗挖泥船工作于水上，水中起升也与陆上起重作业不同，需要考虑水的影响。在此，分别在额定起重量100 t下选取3种不同的起升速度进行仿真分析，以探究起升速度与动载荷之间的关系。3种工况分别为：

(1)工况一，3 s内起升速度由零加速到0.8 m/s，然后匀速运动到出水后臂架受力稳定。

(2)工况二，3 s内起升速度由零加速到1 m/s，然后匀速运动到出水后臂架受力稳定。

(3)工况三，3 s内起升速度由零加速到最大起升速度1.2 m/s，然后匀速运动到出水后臂架受力稳定。

3.2水力载荷

抓斗在水中运动时，受到水的浮力和阻力作用，已知抓斗体积和抓斗容量，浮力便可由浮力公式求得。为了得到不同起升速度下水流对于抓斗的阻力作用，借助ANSYS Workbench平台，对抓斗进行流体力学仿真计算。

将简化后的抓斗模型导入到Workbench Geometry中，建立一个长宽高均为50 m的外流场区域，并分别对进口、出口及流体固体耦合面等进行命名。在ICEM CFD中使用扫掠法对流场进行网格划分，形成网格文件。

在Fluent中对网格文件进行计算。求解模型选为标准k-ε模型，流体材料选为水，入口设为速度入口，出口为压力出口，并对耦合面上的受力进行监测。因为Fluent没有提供量纲为牛顿的监测接口，所监测到的是受力系数[8]，其中阻力系数Cd定义如下：

(2)

式中，Fd为阻力大小，包括水压力和粘滞阻力；ρ为密度；v为速度；s为面积。

为了监测到量纲为牛顿的抓斗受力大小，设定(2)式中分母为1即可。为此，在Reference Values中将参考密度设置为2，参考面积和参考速度都设为1，这样监测得到阻力系数Cd值在数值上即为抓斗所受阻力大小。对抓斗的流体力学计算结果见图2。

图2　抓斗阻力系数

3.3起升动载荷

将浮力计算结果和流体力学计算得到的阻力载荷通过ADAMS函数加载到刚柔耦合模型上，在ADAMS中完成动力学仿真[9]。仿真得到的臂头铰点受力结果见图3。

图3　臂架铰点受力

由仿真数据计算得到3种起升工况下的动载系数，见表3。

表3　3种工况动载系数

由铰点受力结果和表3可知，抓斗挖泥船挖掘起升时动载荷较大，起升动载荷的最大值出现在抓斗刚开始起升的阶段，而且随起升速度的增大而增大，当抓斗以最大起升速度1.2 m/s起升时，动载荷达到最大值，此时起升动载系数为1.348。同时由于水的浮力和阻力的存在，抓斗出水时臂架铰点受力会出现波动，这也是抓斗挖泥船设计和使用中不容忽视的问题。

4　结语

考虑了抓斗挖泥船水中作业的特殊性，在ANSYS Workbench中仿真得到了水流对于抓斗的阻力作用，选取挖泥船以不同速度挖掘起升的作业工况，在ADAMS中进行动力学仿真，得到了不同速度下臂架铰点载荷曲线，结果表明起升速度越大动载荷越大，且抓斗出水将造成载荷波动。动载荷的计算为抓斗挖泥船的设计提供了参考依据，考虑水流作用力的仿真方法也为水上设备的仿真研究提供了一种思路。

[1]钱卫星. 挖泥船的分类及其发展趋势[J]. 江苏船舶，2008,25(6): 7-9.

[2]肖汉斌,徐长生,陶德馨. 18 m3智能型抓斗挖泥船的研制[J].港口装卸,2015,(5): 14-16.

[3]安洋,滕儒民,苗明. 全地面起重机臂架动态收缩过程平稳性研究[J].建筑机械, 2015,(4): 76-80.

[4]刘晓峰. 55 t汽车起重机柔性臂架动特性及主动控制研究[D].大连:大连理工大学, 2011.

[5]韩莉莉,许军辉,宁袆,等. 基于ADAMS/Cable模块的柔索驱动仿真研究[J].中原工学院学报, 2014,25(6): 1-5.

[6]张营章,张顺心,崔少杰,等. 基于ADAMS/Cable的起重机钢丝绳的仿真分析[J].制造业自动化, 2013,35(7): 10-12.

[7]国家标准局. GB/T3811-2008, 起重机设计规范[S].

[8]宋学官,蔡林,张华. ANSYS流固耦合分析与工程实例[M].北京: 中国水利水电出版社, 2012.

[9]李艳军. 基于FLUENT和ADAMS的导弹分离联合仿真分析[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2012.

Dynamic Load of Grab Dredger′s Lifting System

Liu YaMiao Ming

School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology

The rigid-flexible coupled model of grab dredger′s lifting system is established by utilizing the Pro/E, ANSYS and ADAMS softwares. The hydraulic load of grab is obtained in the ANSYS Workbench. Finally, a dynamics simulation of grab dredger lifting system is implemented and the impacts of lifting speed on dynamic load are obtained. the results show that the work is useful for the design of grab dredger.

grab dredger; rigid-flexible coupling; hydraulic load; dynamic load

2016-04-06

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.04.005

刘亚： 116024，辽宁省大连市大连理工大学北山学生公寓B区4舍255室