錨機支撐結構強度的有限元分析

朱顯玲 張遠雙 劉建全

(武漢船舶職業技術學院，湖北武漢 430050)

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錨機支撐結構強度的有限元分析

朱顯玲 張遠雙 劉建全

(武漢船舶職業技術學院，湖北武漢 430050)

以某船的錨機支撐結構為例，采用規范公式計算出每個螺栓受力，直接施加在三維有限元模型的每個螺栓節點上計算錨機支撐結構的強度，以評估其受力是否滿足設計要求。

錨機支撐結構；有限元；強度

每條船在營運過程中，經常要進行系泊作業，使用錨泊設備。錨泊設備的支撐結構通過錨鏈要承受較大載荷。根據中國船級社《規范》[1～2]要求，船首甲板錨機固定的強度應通過有限元計算對其進行校核。

1 計算模型

在支撐結構和基座的強度校核[3]中，為較好地描述區域中結構部件在各個方向上的受力分布情況，應盡可能采用三維有限元模型進行分析，分析基于線彈性理論，模型中的構件取建造厚度。根據《規范》規定模型范圍選取的原則如下：

采用局部立體結構模型，以基座有效作用平面矩形a×b型心為中心，向四周分別擴展至少1倍的該矩形相對應的長寬距離，即模型的范圍至少為3a×3b。垂向從基座面擴展至甲板之下的第一個平臺甲板或至少D/4(D為型深)。其邊界應落在結構主要的支撐結構上。

錨機座一般都是布置在首樓甲板上的，對于對稱的結構，在模型中取模型范圍一般從尾端甲板強橫梁或橫艙壁至首端甲板強橫梁或橫艙壁約3a×3b的范圍，從中部甲板縱桁或艙壁至舷側外板。

一般來說，首樓甲板是有梁拱的，但為了簡化計算，模型中不考慮梁拱的。此外，首樓甲板與主甲板之間的舷側外板是有線形的，但在計算中一般采取簡化的方法，不考慮線形，認為舷側外板是垂直首樓甲板平面的，或者直接將首樓甲板舷側節點約束取代舷側外板。

在模型建立中，底座結構、甲板板、艙壁板及甲板縱桁強橫梁腹板用板殼單元離散；甲板縱桁及甲板強橫梁面板、甲板橫梁、艙壁扶強材用梁單元離散。

邊界條件：1)艏樓甲板舷側處取為自由支持；2)甲板下艙壁在主甲板處取自由支持。

2 計算載荷

錨機設備一般會遇到作業載荷與上浪載荷，評估強度時應獨立施加作業載荷與上浪載荷一般考慮三個工況：作業工況(工況一)，左舷上浪(工況二)與右舷上浪(工況三)。

本船錨鏈直徑為AM2φ40，破斷負荷為896 kN，錨鏈與水平面夾角β=17°。錨機基座螺栓布置見圖1。

錨機設計工作載荷：

P=896×45%=403.2 kN

Px0= P×cosβ= 385.58 kN

Py0= 0

Pz0= P×sinβ= -117.88 kN

另錨機重W=49.05 kN，作用在每個螺栓上

Wz= -49.05/18=-2.725 kN

圖1 錨機基座螺栓編號圖

2.1 軸向力R

考慮每個螺栓的受力為：

Rzi=-(Rxi+Ryi-Rsi) kN

其中：

h——錨機軸線離安裝平面的高度，72cm；

xi，yi——第i個螺栓組到所有N個螺栓組的中心的x和y方向的坐標，cm；

Ai——螺栓組所有螺栓橫剖面面積之和，84.78 cm2；

Ix=∑Aixi2cm4；

Iy=∑Aiyi2cm4；

Rsi——由錨機重量作用在第i個螺栓組上的靜反力，kN，按下式計算：

Rsi=(W+Pz0)/N=(49.05+117.88)/18=9.274 kN

2.2 剪切力F

其中：

a——摩擦系數，0.5；

W——錨機重量，5.0t；

g——重力加速度，9.81m/s2；

N——螺栓組數量，18；

對于作業工況(工況一)，各螺栓節點的剪切力如下：

對于甲板左舷上浪(工況二)：錨機由船首向后的投影面積為2.12m2，錨機平行于軸線的投影面積為1.78m2。Px、Py按《規范》公式計算，如下：

Px=2.12×200=424kN

Py=2.5×150×1.78=667.5 kN

代入上述公式計算得各螺栓節點的剪切力，如下：

對于甲板右舷上浪(工況三)，與左舷上浪(工況二)類似，此處不再贅述。

3 計算結果及分析

以左舷甲板上浪工況為例，各螺栓節點軸向力計算結果見表1。一般說來，螺栓的布置并非規則，螺栓組的中心通過畫圖很難確定，可以通過螺栓對某一點的相對坐標求出中心點對此點的相對坐標，從而得到每個螺栓點到中心的距離，可以通過∑xi=0，∑yi=0驗證。從表1可以看出∑Rxi=0，∑Ryi=0，∑Rzi=49.05 kN。這與規范的公式是相符的。

計算出每個螺栓節點的軸向力后，逐個地將其施加到有限元模型的節點上進行計算，計算結果應力云圖見圖2和圖3。

表1 螺栓節點軸向力計算(表中的xyz的方向為錨機基座的局部坐標方向)

圖2 中面相當應力云圖

圖3 中面剪切應力云圖

4 結 語

實際進行錨機支撐結構的強度計算時，首先需要計算出每個螺栓節點的軸向力，然后逐個地將載荷施加到每個螺栓節點上，最后對有限元應力結果評估其是否滿足《規范》要求。

對于本文研究的某錨機支撐結構，有限元計算所得的中面應力相當應力最大絕對值為82.776MPa，剪切應力最大絕對值為39.697MPa，最大相當應力與最大剪應力均出現在錨機座面板上，滿足《規范》要求。

1 中國船級社. 鋼質海船入級規范[M].人民交通出版社，2006

2 中國船級社. 鋼質海船入級規范修改通報[M].人民交通出版社，2007

(責任編輯：譚銀元)

FEM Strength Evaluation of Windlass Supporting Structure

ZHU Xian-ling,ZHANG Yuan-shuang,LIU Jian-quan

(Wuhan Institute Of Shipbuilding Technology, Wuhan 430050,China)

Taking certain windlass supporting structure for the example, this essay calculates each bolt forces according to RULE equations then applies them into corresponding bolt nodes in 3D finite element model, lastly evaluate strength of the supporting structure.

windlass supporting structure；FEM；strength

2015-01-25

朱顯玲，女，高級工程師，主要從事船舶設計和制造方面的教學和研究工作。

U664.4

A

1671-8100(2015)03-0013-04