小型海船錨機基座及支撐結構強度直接計算分析*

陳 偉，嚴麗君，周俊霖

(1.舟山海之帆造船技術有限公司，浙江 舟山 316100； 2.揚帆集團股份有限公司，浙江 舟山 316100)

0 引 言

船舶錨機工作時承受較大載荷，基座作為連接設備與結構的橋梁，其強度直接關系到船舶安全性和可靠性。它常見于小型海船上，橫豎幾塊鋼板圍成底座，加強支撐結構也只是一般型材輔助。雖有摯鏈器在拋錨作業時承受錨鏈的拉力，但因錨機與基座依靠螺栓連接，且其自重大，振動強，基座和其下支撐結構的局部也一定受到影響，往往是船中局部發現裂紋，甚至結構扭曲變形的現象，所以錨機基座及其下連接處的局部加強結構必須要達到強度要求，是船舶結構安全性中需要重點校核的范圍。

為探究小型海船錨機基座及船體局部結構的應力分布特點，參照《國內航行海船建造規范》[1]要求，采用有限元分析軟件MSC.PATRAN/NASTRAN直接計算法，對35 m污油回收船錨機基座及船體支撐結構建立局部有限元模型來進行分析校核，通過較為精確的應力分布圖，得出其結構設計的安全性，并提出結構設計注意事項。

1 有限元模型

1.1 模型范圍

局部立體結構模型以基座有效作用平面矩形(a×b)為中心，四周分別擴展至少一倍的該矩形相對應的長寬距離(即3a×3b)。垂向從基座面擴展至甲板以下的第一個平臺甲板或至少D/4(D為型深)。其邊界坐落在強支撐結構上。本船錨機為φ19液壓起錨機(AM2)，位于艏升高甲板上，所以結合本船主尺度得到縱向為#54艏端壁向艏，橫向為全寬，垂向為艏升高甲板至距基線2 000 mm。此外，簡化不考慮甲板梁拱和線形。

1.2 結構模擬

應用PATRAN和NASTRAN軟件，按照本船各構件的設計尺寸和板厚等建立基座及船體結構三維有限元模型,見圖1、2。模型中坐標系的X軸沿船體縱向指向船艏，Y軸沿船寬方向指向左舷，Z軸沿船體垂直向上。單元類型包括板單元和梁單元[2]。其中，基座結構、甲板板、艙壁板及甲板縱桁與強橫梁腹板用板殼單元離散；甲板橫梁、甲板縱桁與強橫梁面板、艙壁扶強材、錨鏈筒用梁單元離散。板殼單元大多采用四邊形網格，在連接或變化較大處采用少量三角形網格過渡。錨機基座相對局部船體結構較小，所以模型中基座采用細網格單元，而船體結構為粗網格單元(1/2肋距)，兩者尺寸比設置為1：2，并且粗細網格間逐漸過渡。

圖1 有限元模型 圖2 有限元模型(甲板下)

該船基座設有12個螺栓，基座螺栓孔具體分布及中心坐標見圖3。通常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，見表1所列。

圖3 基座螺栓具體分布圖

表1 基座螺栓的中心坐標計算表/mm

破斷載荷采用多點MPC，以集中力形式方便施加載荷[3]。錨機載荷作用點即為獨立點位置，本MPC獨立點高度取錨鏈出鏈高度(h=535 mm)，關聯點為基座螺栓12個固定點，見圖4。

圖4 基座結構模型MPC加載示意

1.3 材料特性

結構采用“CCS-A”級鋼，計算中材料的物理特性參數如下。

彈性模量：E=2.06×105 N/mm2

泊松比：μ= 0.3

屈服應力：σs=235 MPa

密度：ρ=7.85 t/m3

1.4 邊界條件

在艙壁和距錨機較遠處的縱桁、強橫梁處限制平動自由。由于采用簡化方法，不考慮外板線形，直接節點約束取代舷側外板。其邊界條件見圖5。

圖5 邊界條件

1.5 載荷工況

在《國內航行海船建造規范》中，第2篇船體部分3.2.5及3.7.2[1]對錨機及掣鏈器支撐結構有明確的要求。本船船長小于80 m，故僅校核錨泊設備承受錨鏈破斷載荷的工況，錨泊設備上浪載荷工況和錨機螺栓強度不進行校核。

為方便之后的計算及加載，參考規范3.2.5所述，對力的坐標系設定如下：以垂直于錨機軸線指向船首的方向為X軸正方向，以平行于錨機軸線向左舷舷外為Y軸正方向，并依右手坐標系，以垂直水平面向上為Z軸正方向。

φ19錨鏈(AM2)的破斷強度為P=211 kN。校核時取45%的錨鏈破斷力，其大小計算如下(本船錨機為雙鏈輪)：

P1=2×211×45%=189.9 kN。

設備資料顯示錨機重量為W=3T、出鏈方向與水平面夾角α為25°、與船體中縱剖面夾角β為0°。將其按出鏈方向進行分解，因此錨機基座受力為：

Fx=P1×cosα= 172.108 kN

Fy= 0 kN

Fz=W+ P1×sinα= -83.255 kN

該錨機帶掣鏈器，校核掣鏈器取80%的錨鏈破斷力P2=211×80%=168.8 kN。其形式為閘刀掣鏈器，出鏈方向與水平面夾角α為-55°、與船體中縱剖面夾角β為20°，因此：

Fx=P2×cosα×cosβ=90.981 kN

Fy=P2×cosα×sinβ=33.114 kN

Fz=P2×cosα×sinβ=33.114 kN

將上述錨機基座及掣鏈器校核受力作為工況1疊加到有限元模型中，見圖6。

圖6 工況1受力情況

2 許用應力

板單元的應力取Von Mises合成應力，按下式計算：

梁單元應力取最大和最小組合應力。許用應力取[σ]=235 MPa。

3 計算結果及分析

3.1 計算結果匯總

計算所得錨機及掣鏈器支撐結構最大應力及變形匯總見表2、3所列。

表2 最大應力匯總 /MPa

表3 板架最大變形匯總 /mm

3.2 應力云圖

各構件在工況下的應力云圖見圖7～11。

圖7 工況1甲板支撐結構變形圖/mm 圖8 工況1板元合成應力云圖/MPa

圖9 工況1板元剪切應力云圖/MPa 圖10 工況1梁系最大組合應力云圖/MPa

圖11 工況1 梁系最小組合應力云圖/MPa

3.3 結果分析

從圖7～9所示的應力云圖中可以看出，錨機受45%破斷力工況下，結構工作應力較大部位主要集中于基座連接錨機的個別螺栓處。掣鏈器受80%破斷力工況下，結構工作應力較大部位位于錨鏈管與甲板連接處。因此在錨機基座和掣鏈器下增設相應支撐結構加強，尤其建議將掣鏈器下對應縱桁結構與錨鏈管連接起來。另外，基座肘板對結構過渡區應力影響較大，盡可能選用自由邊夾角大的或圓弧過渡肘板，將應力較好地傳遞到支撐結構，避免受力硬點。所以這些部位結構在今后設計過程中需特別注意，結構設計的合理性直接關系到船舶的安全性能。

4 結 語

根據《國內航行海船建造規范》相關要求，采用MSC PATRAN/NASTRAN直接計算法，重點對本船錨機及掣鏈器的支撐結構強度(包括錨機基座)進行了分析研究，最后得出本船錨機及掣鏈器的支撐結構(包括錨機基座)強度滿足規范要求，同時分析結果可為規范小型海船的錨泊設計和建造提供技術參考。