本节主要对抛石整平船工作状态下抛石管保持架整体的应力、应变进行分析，分析抛石管保持架在多个载荷共同作用的工况下，所能承受的变形情况和强度极限。

本研究所用ANSYS版本为ANSYS Workbench 17.0。ANSYS Workbench静力学应力、应变分析可以用于计算一个零部件或系统的应力分布或变形情况。静力学分析在许多工程里扮演关键角色，对象为在力作用下平衡的刚体。ANSYS Workbench的静力学分析基本原理为通过用有限元法计算出各单元内的应力值，并推导得出其他静力学参数。

本抛石管保持架分析属于静力学分析。利用软件ANSYS Workbench 17.0计算出抛石管保持架在工况下所受多个载荷的共同作用下，所能承受的变形情况和强度极限。

4.3.4.1 保持架有限元分析过程流程

基于ANSYS_Workbench 17.0中的具体计算流程图如图4-81所示。

图4-81　ANSYS计算流程图

由于本计算内容重点为抛石整平船工作状态下抛石管保持架整体的应力、应变状态，考虑抛石管保持架整体为一焊接件，本研究建立的计算模型为抛石管保持架的整体。同时因为抛石管保持架的模型较为复杂，对每块板件及其他部分分别建模的工作量特别大，而且是一个耗时且重复性工作，所以本研究计算决定采用了利用软件Solidworks_2016来进行对抛石管保持架的整体建模，只要通过导入Solidworks中建立的模型，就可以让ANSYS Workbench生成对应的计算模型，大大减少了用ANSYS直接建立模型的工作量和缩短了计算时间，计算效率得到了很大提升。由于该设计研究的对象抛石管保持架是由很多板件、角钢、钢管、圆钢等钢材焊接而成，钢材之间基本没有螺纹连接等，所以在将Solidworks模型转换成IGS模型时已转化为一整个零部件，在ANSYS中无须考虑其各个板件间的连接关系。

图4-82　保持架的Solidworks模型

4.3.4.2 参数化模型建立

以下为抛石管保持架的有限元分析模型建立过程。

1）建立电机模型

本电机的模型在Solidworks中绘制完成，其Solidworks模型图如图4-82所示。将Solidworks中的文件SLDASM格式转化为IGS格式，即可将Solidworks模型导入ANSYS内进行分析，简化了ANSYS建模过程，其ANSYS模型图如图4-83所示。

图4-83　保持架的ANSYS模型

2）定义材料属性

仿真计算时，根据已知条件可知，本研究设计并分析的对象抛石管保持架整体大部分材料为Q345D，查阅材料可知，Q345D钢材的弹性模量为E=2.06×1011 N/m2，泊松比μ=0.304，密度ρ=7 850 kg/m3。Q345D材料属性图如图4-84所示。

3）计算网格划分

网格划分需要首先设置网格划分的单位大小和方式，在ANSYS Workbench 17.0中网格划分方式共有5类，分别为四面体网格划分、六面体网格划分、自动网格划分、多域扫略网格划分、扫略网格划分。在网格划分方式的选择上，本设计研究遵循以下原则：

(www.daowen.com)

图4-84　Q345D材料属性图

（1）对空间立体实物而言，尽量选择六面体网格划分网格，当对象为一个简单规则体时，则优先选择扫略网格划分网格。

（2）当对象由多个简单规则体组合而成的时候，优先选择多域扫略网格划分网格。

（3）如若前几种网格划分方式都不适合该种情况，最后选择四面体网格划分网格。

本设计研究网格划分的对象为一个空间立体实物，所以在此选择多域扫略网格划分网格，可以满足计算要求。

其网格划分的过程为Main Menu-Component System-Mash-Generate Mash.当软件网格划分完全时，查看抛石管保持架各部件连接处是否网格划分不合理，如不合理，需重新进行网格划分。网格划分完全后的模型如图4-85所示。

图4-85　网格划分完全后的模型

经过网格划分后，通过软件统计可知，该抛石管保持架模型共计生成了167 333个节点，29104个单元组成。通过检查单位的畸变度来判断该网格划分质量的优劣，其畸变度指数（Skewness）为0～1，其中0为极好的情况，1为无法接受的情况。经过软件检查其网格划分的畸变度指数的平均指数为0.481，属于良好的网格划分。

经过网格划分后ANSYS模型即可添加约束及载荷进入后处理阶段。

4）约束及载荷施加

抛石管保持架可以将抛石整平船抛石管限制在保持架的限定路径中，由各截面上安装的导向轮提供导向功能。侧梁上焊接有四块HARDOX材质的耐磨板，当抛石管底部抛石整平头与水下基床相接触摩擦时会产生一个垂直于侧梁的拉/压应力，其作用部分为此四块耐磨板。滑轮底座下安装由四个用于抵消装置重力的滑轮，其滑轮通过钢丝绳与外部绞车相连接，提供给抛石管保持架一个向上的力，力大小与保持架重力持平，另外还安装有两个滑轮用于引导溜管槽的方向。上箱梁和下箱梁之间的结构安装有一个翻转机构，其焊接在装置上且背面有八块肋板加以强化，外部有一旋转轴与其上销轴孔相配合，由液压马达提供驱动力，通过开式齿轮传动，将保持架和抛石管旋转90°至水平/垂直状态；旋转轴通过花键和法兰与保持架连接，在抛石工况下，保持架会通过钢丝绳改向的作用，伸出船舷外；在回收抛石管工况下，随翻转机构同步动作，将抛石管和抛石整平头收回至船舷内。固定装置上有一小销轴孔，当保持架处于水平固定或垂直固定的情况下，操作人员会将其通过液压装置伸出一固定轴与外部固定，当保持架需要移动时固定轴撤离。操作人员可以在抛石整平船体上小车处的操作平台进行操控工作，完成整套抛石整平的工作。

在抛石整平头进行整平基面时，可以通过保持架的受力情况进行分析。抛石管受到基面所带来的基面摩擦力，抛石管底部（包含抛石整平头）到水面的范围受到一个水流对抛石管运行的阻力，因为抛石管与保持架接触的只有两对耐磨板（其中一对耐磨板包含两块相同的且对称布置的耐磨板），且该情况也不太适用超静定计算结构内力，所以本情况视为静定梁静定力学分析，其中A点和B点两个铰点即代表保持架上两组耐磨板的位置；保持架工况时翻转机构的旋转轴d-d给保持架提供约束；其固定机构中也有小销轴连接在保持架上给保持架提供约束。根据上节对抛石整平船工况下的受力分析，可了解到抛石管保持架上存在两处约束：一是抛石管翻转机构销轴孔周由于花键连接存在完全约束；二是固定装置上小销轴孔处也存在一个径向约束。

另外，抛石管保持架底面的滑轮底座下滑轮上所带钢丝绳给予一个大小约等同于抛石管保持架重力来自绞车拉动用于平衡抛石管所受重力的垂直方向的力，它的作用位置为下方四个滑轮的上半圆周。此外，经过第3章中的公式（3-8）和公式（3-9）计算可得到抛石管保持架上侧两块耐磨板受到拉力，每块耐磨板受到一个大小为7494.3 N的拉力，抛石管保持架上侧两块耐磨板受到拉力，每块耐磨板受到一个大小为17428.6 N的压力。

此外，对抛石管保持架ANSYS模型添加重力，大小为9.806 6 m/s2。

到此，抛石管保持架的约束及载荷施加完毕。下面进入模型的后处理环节。

5）有限元计算结果和分析结论

（1）计算结果。经过ANSYS Workbench的后处理阶段，对该工况的抛石管保持架进行计算，最后添加其应力、应变及变形情况，即可得到抛石整平船上的抛石管保持架应力、应变及变形情况的计算结果，计算结果如图4-86所示。

图4-86　计算结果

（2）分析结论。根据抛石管保持架工作状态下的应力、应变及变形的分析来看，该抛石管保持架设计结构安全，而且有些安全部位可以进行减重或其他优化，也可以对抛石管保持架的整体体积进行优化，将其整体结构缩小，因为分析得到的变形量很小，可以减小保持架上板件的厚度，这样设计的话，降低抛石管保持架本身重量和节省钢材，在满足基本要求下达到最优的机械结构，以最大效益满足生产需求，向绿色施工靠拢。