一、前言

本文旨在探討仿真分析在港口機械領(lǐng)域的應(yīng)用，為港口機械的設(shè)計、制造及運維提供整體解決方案，以應(yīng)對港口機械在實際作業(yè)中出現(xiàn)的各類問題。

二、應(yīng)用背景

（一）集裝箱港口

主要設(shè)備：岸邊集裝箱起重機（岸橋）。

常見問題：機械結(jié)構(gòu)承力不足，導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生裂縫；液壓系統(tǒng)及制動力方面經(jīng)常出現(xiàn)一定的質(zhì)量問題；在役岸橋鋼結(jié)構(gòu)連接焊縫銹蝕問題；在役岸橋前大梁拉桿及鋼繩強度問題；整機及鋼纜的強度負載分析、疲勞分析等。

（二）散料港口

常見設(shè)備：螺旋卸船機、抓斗卸船機、埋刮板卸船機、鏈斗卸船機。

常見問題：設(shè)備提升過載（取料過載、物料堵塞）；襯板脫落（設(shè)備磨損嚴重）；軸承發(fā)熱（電機功率過載）；鏈條、板型變形 / 斷裂；功率和取料量之間的關(guān)系，連接部位的疲勞強度等。

三、CAE 整體解決方案及設(shè)備應(yīng)用案例

（一）整體仿真分析方案

包括工作中鋼架受力分析、鋼索模型、結(jié)構(gòu)靜強度分析、鋼索拖斗建模、支座及行走結(jié)構(gòu)分析、物料被拖動仿真等。

（二）具體設(shè)備應(yīng)用案例（抓斗卸船機）

1.抓斗取料分析：涉及取料量分析、取料卸料狀態(tài)分析、避免物料外溢、閉合功率分析（電液仿真）、取料 / 卸料連桿受力分析、抓斗磨損分析等。通過對不同物料取料狀態(tài)和取料量的分析，確定抓斗的效率和卸料時間，并在設(shè)計早期通過多次迭代找到改進方向。

2. 取料應(yīng)力分析：隨取料作業(yè)，分析連桿的應(yīng)力及強度變化，不同物料取料時應(yīng)力集中區(qū)域及應(yīng)力最大位置，進行連桿強度分析和開合疲勞分析。

3. 扭矩應(yīng)力分析：分析執(zhí)行機構(gòu)受力、曲柄扭矩、纜繩受力、抓斗斗體受力（開合電液強度）等。

4.強度分析（鋼纜模型）：模擬在吊裝時的實際狀態(tài)，在各種負載條件下測試機器，評估工作能力和可行性，分析自動臂（伸縮）/ 旋轉(zhuǎn)臂的受力以及鋼纜的受力等。

5.懸臂（剛架構(gòu)）強度分析：進行強度分析、應(yīng)力分析，拓撲優(yōu)化、輕量化設(shè)計，考慮環(huán)境（風(fēng)）對懸臂作業(yè)擺臂的影響以減小風(fēng)阻，分別分析非作業(yè)狀態(tài)和作業(yè)狀態(tài)下的情況。

6. 結(jié)構(gòu)件的疲勞分析：分析對象包括連接件及運動件、旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、行走結(jié)構(gòu)、葫蘆、吊鉤、鋼纜、滑輪等。

7. 焊縫疲勞分析：采用 Volve 分析方法，支持填縫焊、拼接焊等，可評估焊趾、焊根、焊喉處損傷，采用純彎、純拉壓的疲勞 SN 曲線（壓彎、垂直力下的疲勞）；通過對焊接節(jié)點的疲勞分析，避免高強度工況下產(chǎn)生過載，得到精細致的維護周期。

8. 行走軌道強度分析：建立運動軌道（曲軌）有限元模型，分析最大形變量和米塞斯應(yīng)力、應(yīng)力安全系數(shù)，以及是否滿足特定工況下的強度要求（特定荷載下）等，還有行走作業(yè)曲軌位移云圖和應(yīng)力云圖可供參考。

9. 磨損分析：能更加精準地定義磨損位置，更加清晰地輸出磨損產(chǎn)生的效果，更加精確地預(yù)測設(shè)備在磨蝕效果下的使用壽命。

四、其它應(yīng)用案例

· 螺旋卸船機：分析螺旋轉(zhuǎn)速、物料填充率對卸船效率的影響；螺旋間距的大小、間距對取料效率的影響；物料種類、顆粒大小與螺旋轉(zhuǎn)速的搭配；進行轉(zhuǎn)軸扭矩分析以及中心轉(zhuǎn)軸與筒壁內(nèi)側(cè)的磨損分析、中心轉(zhuǎn)軸的自身疲勞和應(yīng)力分析等。

· 刮板卸船機：對刮板進行磨損、強度分析及優(yōu)化；分析刮板大小、形狀、間距對取料效率的影響；分析刮板運動速度與物料的堆積量對卸船效率的影響；分析進料口形狀、大小、角度對卸船效率的影響；進行鏈條的強度分析和扭矩功率分析等。

· 鏈斗卸船機：對鏈斗進行磨損、強度分析及優(yōu)化；分析鏈斗大小、形狀、間距對取料效率的影響；分析鏈斗運動速度與物料的堆積量對卸船效率的影響等。

· 料倉卸料分析：分析料倉卸料口的大小、結(jié)構(gòu)對卸料效率的影響；進行料倉的磨損、壽命分析；分析料倉卸料時物料的堆積情況，是否會出現(xiàn)拱形結(jié)構(gòu)等，包括卸料至箕斗和卸料至集裝箱的情況。

· 移動式起重機（爪）：分析抓斗應(yīng)力、強度、抓取情況；進行液壓系統(tǒng)的機電液聯(lián)合仿真分析；對連接件、結(jié)構(gòu)件進行強度、剛度、疲勞分析及優(yōu)化；分析履帶接地長度、履帶接地比壓和滑轉(zhuǎn)率隨切土深度的變化規(guī)律；進行整機的質(zhì)心分析布置和輕量化設(shè)計等。

· 門式起重機：對抓手和鋼索進行應(yīng)力、強度分析；分析抓斗抓取能力與液壓系統(tǒng)之間的配合；進行行走軌道的強度分析；對滑輪、連接件等進行強度分析；對橫架梁在工作狀態(tài)下進行應(yīng)力、強度分析、優(yōu)化設(shè)計、輕量化設(shè)計等。

五、總結(jié)

通過 CAE 的整機建模方式，對港機設(shè)備進行整體的性能評估，更加真實和科學(xué)。

在設(shè)計和制造初期就能夠?qū)崿F(xiàn)對設(shè)備作業(yè)狀況的良好預(yù)估。

為設(shè)計和制造提供良好的設(shè)計方法，規(guī)避基本設(shè)計缺陷。

改善國內(nèi)設(shè)計流程，為研發(fā)國產(chǎn)大功率穩(wěn)定卸船機提供設(shè)計依據(jù)。

科學(xué)地評估設(shè)備的磨損、疲勞等損耗，在降低成本的同時增加設(shè)備使用的安全性；可視化的仿真數(shù)據(jù)支持，增加說服力。