摘 要

节能和环保是当今社会最关心的问题，最显著的是发生在港口行业。经济的快速发展使港口装卸设备成为必须大规模，专业化和自动化的决策。 传统的卸船设备已不能满足时代的要求，因为其高能耗和环境污染已逐渐消失。 在这种情况下，螺旋卸船机广泛用于港口。由于其高效率和利用率，很容易实现物料自动输送。同时，因为它是封闭运输，对环境的污染小。因此，螺旋卸载的广泛应用，对节能和环保有着重要的意义。

螺旋卸船机的优点是显而易见的，但由于结构复杂计算难度也大大增加。由于复杂的结构，高的设计参数和高度参数的相关性，它的结构已被连续地在设计过程中修改，并且设计难度已大大增加。传统的方法对这样一个复杂的设计环境很难有作为。在一方面，存在一种用于螺旋卸船机螺旋卸载的大量需求，以及在另一方面，螺旋卸船机结构的复杂设计计算。计算机技术的快速发展带来的参数化设计方法为解决这一问题提供了机会。 参数化设计方法使用参数驱动计算和尺寸约束模型来设计产品。其可以快速且方便地完成整个设计过程。

本文以螺旋卸船机的垂直螺旋输送机为研究对象，以 ANSYS 软件为工具，对垂直螺旋输送机进行参数化分析，主要有了以下方面的工作：利用 ANSYS 软件对垂直螺旋输送机建立有限元分析模型，确定垂直螺旋输送机的载荷和工况，对垂直螺旋输送机进行受力分析并进行有限元优化分析，利用APDL语言编制出螺旋卸船机结构的命令流来快速设计其他尺寸的垂直螺旋输送机。

关键点：螺旋卸船机，参数化设计，ANSYS，APDL语言

Abstract

Energy conservation and environmental protection are the most concerned issues in today's society, most notably in the port industry. With the rapid development of economy, port handling equipment must be a large-scale, specialized and automated decision-making. Traditional ship unloading equipment can not meet the requirements of the times, because its high energy consumption and environmental pollution have gradually disappeared. In this case, screw ship unloaders are widely used in ports. Because of its high efficiency and utilization rate, it is easy to realize the automatic conveying of materials. At the same time, because it is closed transportation, less pollution to the environment. Therefore, the wide application of screw unloading is of great significance to energy saving and environmental protection.

The advantages of screw ship unloader are obvious, but the difficulty of calculation is greatly increased because of the complex structure. Because of the complex structure, the high correlation between design parameters and high parameters, its structure has been continuously modified in the design process, and the design difficulty has been greatly increased. Traditional methods can hardly make a difference in such a complex design environment. On the one hand, there is a large demand for screw unloading of screw ship unloader, and on the other hand, the complex design and calculation of screw ship unloader structure. The parametric design method brought about by the rapid development of computer technology provides an opportunity to solve this problem. Parametric design method uses parameter-driven calculation and size constraint model to design products. It can complete the whole design process quickly and conveniently.

This paper takes the vertical screw conveyor of screw ship unloader as the research object and takes ANSYS software as the tool to carry out parametric analysis of the vertical screw conveyor. The main work is as follows: Using ANSYS software to establish the finite element analysis model of the vertical screw conveyor, determine the load and working condition of the vertical screw conveyor, and carry out the force analysis of the vertical screw conveyor. Finite element optimization analysis was carried out, and APDL language was used to compile the command flow of the screw ship unloader structure to quickly design the vertical screw conveyor of other sizes.

Key points: screw ship unloader, parametric design, ANSYS, APDL language

目 录

第1章 绪论 1

1.1 螺旋卸船机发展背景 1

1.2 国内外研究现状与发展 2

1.3 选题研究内容 2

第2章 垂直螺旋输送机有限元分析模型的建立 3

2.1 有限元简介 3

2.2 ANSYS 3

2.2.1 ANSYS简介 3

2.2.2 ANSYS分析步骤 4

2.3APDL 参数化语言设计介绍 4

2.4 垂直螺旋输送机有限元分析模型的建立 5

2.4.1 几何模型的简化与有限元网格划分 5

2.4.2 垂直螺旋输送机参数化模型 6

2.5 本章小结 6

第3章 垂直螺旋输送机静力学分析 7

3.1 约束与耦合 7

3.2 垂直螺旋输送机所受载荷概述 7

3.3 载荷的计算 8

3.3.1 自重载荷 8

3.3.2 竖直螺旋取料物料的侧压力 8

3.3.3 风载荷 9

3.3.4 动态载荷 9

3.4 工况分析 11

3.5 计算工况 25

3.6 本章小结 27

第4章 经济性分析 28

4.1 环境影响分析 28

4.2 经济性分析 28

第5章 总结与展望 29

5.1 总结 29

5.2 展望 29

参考文献 30

致谢 32

第1章 绪 论

1.1螺旋卸船机发展背景

自改革开放以来，中国的港口贸易发展迅速，中国的港口装卸业的相应份额也在不断扩大。截至2013年，中国港口的年吞吐量已牢牢占据世界总吞吐量的领先地位。 其中，矿石，煤炭，粮食，化肥等比例最大，占总吞吐量的54％[1]。 作为散货装卸码头的核心技术，船舶装卸技术水平直接影响码头的工作效率。 在中国，过去几乎一半的大宗作业是通过间歇式移动抓斗卸船机实现的。然而，随着科学技术，生产效率高，重量重，专业化，能耗低的港口装卸行业已经成为可能^[2]。传统的抓斗卸船机由于工作效率低，环境污染严重，现已经很少被使用。因此，有必要找到一种更有效的卸船机，而不是抓斗卸船机，以满足社会的需求^[3]。

螺旋卸船机的出现极大地促进了港口的发展。与传统的抓斗卸船机相比，效率大大提高。世界上第一台螺旋卸船机于1974年取得了成功。从那时起，国外开发的，螺旋卸料器已占据装载散货的一个非常重要的位置^[4]。相对而言，国内更换散货装卸机械的速度相对较慢。经过十余年的发展，中国已经陆续出台了螺旋卸料器。进口产品主要来自BMH在瑞典。该公司一直致力于螺丝卸船机的研发与制造，应用最广泛的，其中是SWT模型卸船机。这种类型的卸船根据工作容量分为不同的模型^[5]。

到目前为止，现代物流业的螺旋卸船机已经占据了越来越重要的地位。螺旋卸船机在世界各港口的散货处理中发挥着重要作用。对于国内市场，由于从20世纪80年代以来引入了螺旋卸载机，许多港口已经取代了抓斗卸船机。这极大地提高了装载和卸载效率^[6]。在中国，螺旋式卸船机的蓬勃发展是由中国独特的地理优势决定的。中国有广阔的地理区域和漫长的海岸线，有黄河和长江两名江。各部分区域通过长江连接，有利于连续卸载^[7]。图1.1为螺旋卸船机未工作时图片：

图1.1 螺旋卸船机未工作时图

1.2国内外研究现状与发展

随着经济的快速发展和国际贸易的增加，港口装卸业发展也非常迅速。港口装卸设备也正朝着大规模，专业化和自动化的方向发展。由于能耗高，环境污染严重，传统的卸船设备已无法满足时代要求，螺旋式卸载在此上下中成为被广泛使用的端口。由于其高效率和利用率，很容易实现物料自动输送。同时，因为它是封闭的运输和具有环境污染少，所以螺旋卸船机在港口在港口装卸行业中优势越来越大^[8]。螺旋卸船机它带来的优势是不可比拟的，但由于过多的优势所带来的机构变的更加复杂。由于复杂的结构，各种设计参数和高度参数的相关性，它的结构已被连续地在设计过程中修改，设计难度大大增加，传统的方法面对如此复杂的计算环境捉襟见肘^[9]。

随着计算机的飞速发展，FEA已经获得越来越多的关注在工程设计和分析。通过有限元分析的螺旋卸载的设计计算可以提高设计效率。当设计系列化的产品，它需要大量的时间由一个执行建模分析不同的结构形式。因此，参数设计可以用来调整结构分析模型。参数化设计和有限元结构分析相结合，可以进行结构参数调整，自动生成模型和有限元结构分析，可以大大缩短设计周期^[10]。APDL是ANSYS软件强大而实用的二次开发平台，因此通过APDL编制程序可以优化螺旋卸料的结构时提高工作效率。

1.3选题研究内容

本文主要是选取螺旋卸船机垂直螺旋输送机部分，是通过了解螺旋卸船机的结构以及载荷工况分析，运用有限元ANSYS软件对其进行建模与设计，并通过软件对螺旋卸船机的各部分施加力学模型，对各部分受力进行分析，在进行有限元的分析及优化，编制螺旋卸船机结构参数化有限元优化程序，通过输入程序来制作各种尺寸的螺旋卸船机。主要完成内容有以下几种：（1）螺旋卸船机结构载荷工况分析.（2）螺旋卸船机结构力学模型分析.（3）螺旋卸船机结构有限元分析及优化.（4）编制螺旋卸船机结构参数化有限元优化程序.

第2章 垂直螺旋输送机有限元分析模型的建立

2.1有限元简介

在科学的某些方面，人们有一些普遍的物理和机械问题也随之而来，但只有几个简单的公式可以使用的分析方法来寻找更准确的解决方案的基本方程的一些理解。对于相当多的非线性问题，因为所述几何模型是相对复杂的，求解区域不是规则的，和分析求解通常很难计算，所以有限元法作为时代要求出现。它成为一种可以有效解决非线性问题的数值方法^[11]。在上个世纪中叶，有限元方法被应用于飞机结构的静态和动态特性分析。这是使用有限元方法的第一个成功案例。 在接下来的十年左右，有限元方法开始用于汽车的结构分析。 在20世纪60年代中期，O.C。 Zienkiewice教授及其合作伙伴改进了有限元方法，扩展了有限元方法的各个领域。即各个领域的问题可以利用有限元方法来解决^[12]。有限元方法的理论基础是能量方法，它使用解决位移的方法来把分析对象划分成不同的尺寸和种类的小区域的想法。有限元法使用计算机来解决各种问题。有限元法已通过各行业的产品设计，并已由于其良好的适应性，标准化，统一计算格式和较高的计算精度成为一个重要的设计工具。它自从出现以来，在很多的领域之中作为计算该领域问题，成为了不可替代的方法^[13]。

有限元方法使用在结构力学为理论基础的位移的方法，并且将分析对象分成有限数量的在节点相互连接单元所组成的一个整体。在有限元分析的过程中，首先，我们必须了解每个单元的特征，然后通过单元的联合节点之间的平衡关系建立方程，最后根据已知的边界条件求解计算。从而变换所述整体连续计算处理。对于一个简单的单元分析过程。由于各种形式的单元之间的耦合可制成，所述单元的形状可以变化，所以，不论几何模型多么复杂，都可以对其进行求解^[14]。

2.2ANSYS

2.2.1ANSYS简介

ANSYS（analysissystem）软件将一系列物理量转换为一体，如结构，热量，流体，电磁和声学等。它是由世界上最大的有限元分析软件公司ANSYS开发的大型CAE通用有限元分析软件。它非常强大，在航空航天，机械，汽车，土木工程，船舶和海洋工程中具有不可替代的作用。它与大多数CAD软件（如Pro / ENGINEER UG，AutoCAD，IDEAS，NASTRAN等）兼容，是数据共享和交换的良好界面。它是现代机械产品设计一个非常实用的工具^[15]。与其他软件相比，它具有以下几个优点：

（1）强大的建模能力：ANSYS 本身有着一定的建模工具，可以建立很多领域的模型，建模的方式也有很多种，对于一些很复杂的模型还可以运用布尔运算来进行建模。

（2）强大的求解能力：ANSYS 里有很多求解器，可以解决多种类型的问题，主要类型是迭代求解器，直接求解，特征值求解方法，并行求解器等。。

（3）强大的网格划分能力：有限元模型建成后，你可以选择智能网格化。该系统将根据几何形状自动生成网格。它也可以根据需要，以满足用户的需要手动划分。

（4）强大的接口能力：ANSYS能够一些其他的软件之间建立联系，实现数据共享和交换，这样能够提高研究的效率和准确性。

（5）强大的后处理能力：将求解完成后，您可以获取任何节点和单元的数据。ANSYS还具有各种数据输出形式，如列表输出、图形显示、动画模拟等。它可以具有各种工作条件和各种组合，数学运算和时程分析^[16]。

2.2.2ANSYS分析步骤

ANSYS软件主要包括三大模块：前处理模块、分析计算模块和后处理模块，在每个模块内采用不同的操作，从而完成对各种不同结构的分析研究。

1. 前处理模块：通过点击主菜单中的“Preprocessor”命令，即可进入前处理模块。在前处理模块中，可以进行求解之前的各种工作，包括赋予材料属性、建立模型等很多种不同的工作。
2. 分析计算模块：在该模块中，网格模型的模型可以被加载和解决。通常，它包括多个步骤如定义分析类型，施加的负荷，并限定所述负载步骤。如果完成所有步骤，单击求解启动解决。ANSYS提供的不同类型的分析，以满足人们在不同学科的需求。

（3）后处理模块：该模块分为两种类型：普通后处理模块和时程后处理模块。一般后处理模块可以输出并以图形方式显示结果。时间历程后处理使用在一个时间段或分步检查得出的结果在使用过程中^[17]。

2.3APDL参数化语言设计介绍

APDL是由ANSYS软件提供的参数化设计语言，可以良好实现参数化设计并促进ANSYS的二次开发^[18]。该APDL语言类似于FORTRAN和可以实现的参数，环路，宏选择等，使我们能够参数化有限元分析的全过程。它结合了有限元分析的结构的参数化设计。通过简单地调节所述结构的参数，该有限元模型可以快速生成，并且可以实现结构的有限元分析来优化产物的结构，还能缩短产品设计的周期，减少开发的成本^[19]。

2.4垂直螺旋输送机有限元分析模型的建立

2.4.1几何模型的简化与有限元网格划分

本文采用ANSYS软件中的APDL参数化语言，采用自下而上的建模方法完成立式螺旋输送机结构有限元模型的建立。考虑到垂直螺旋输送机的每个部件的结构是复杂的，我们根据实际情况对一些结构特别复杂且对分析结果影响较小的位置进行适当的简化，模型的简化主要包括以下几个方面：

（1）对于部件中的垂直螺旋管进行简化，其中得了螺旋结构进行省略。

（2）对于结构中的电机及一些其他外在机构进行简化，由于加入之后模型过于复杂且对分析结构影响很小，直接将其省略

（3）由于各螺旋管之间的连接过于复杂，模型建出来不好施加力，将连接部分简化，确定连接部分中心即可，以便在之后对中心部分施加力。

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