40 000 DWT散貨船錨機底座及支撐結構強度分析

呂厚波，冉建華

(1.鹽城市地方海事局,江蘇 鹽城 224003；2.上海江南長興造船有限責任公司，上海 201913)

40 000 DWT散貨船錨機底座及支撐結構強度分析

呂厚波1，冉建華2

(1.鹽城市地方海事局,江蘇 鹽城 224003；2.上海江南長興造船有限責任公司，上海 201913)

錨機在外部纜繩拉力過大的情況下易引起錨機底座及船體支撐結構的強度破壞，影響船體結構能力。以40 000 DWT散貨船錨機底座為研究對象，采用MSC/PATRAN和MSC/NASTRAN有限元軟件，建立有限元模型，考慮2種典型載荷工況：甲板上浪載荷以及45%錨機錨鏈破斷強度，根據規范要求施加了相關邊界條件，并依據規范許用應力衡準要求對計算結果進行了分析。計算結果表明，本船的錨機底座及船體支撐結構的有限元強度滿足規范要求，本文的研究成果對同類船舶的錨機底座結構強度以及船體局部結構強度分析具有一定的借鑒意義。

錨裝置；底痤；連接結構；結構強度

0 引言

錨機是主要的船用錨系泊設備，其主要作用是保持船位不變，船舶緊急制動，使船安全靠離碼頭。隨著船舶噸位的增加，錨機所承受的載荷也越來越大，對其可靠性、安全性的要求也越來越高。錨機一般位于船舶艏樓甲板上，在工作環境中一般受到錨鏈的作用，且在船舶運營中承受較大的上浪載荷，這就要求錨機在甲板上的固定達到合理的結構強度。以前船體結構設計人員僅憑經驗對其結構進行加強，隨著國內CAE技術的發展，對船體局部結構乃至整船的強度校核成為可能。因此，必須對船體結構錨機基座進行有限元分析計算。張建[1]使用ANSYS軟件分析了錨機各部位應力和形變情況，錨機基座等局部結構的有限元直接計算能夠取得滿意的結果。本文以40 000 DWT散貨船錨機基座為研究對象，采用大型有限元軟件MSC.PATRAN/NASTRAN進行有限元計算分析，參照CCS(中國船級社)規范，研究了3種工況下錨機基座及其附屬加強結構應力形變情況。

1 主要尺度及其他參數

40 000 DWT散貨船主要尺度：總長189.23 m，垂線間長180 m，型寬30 m，型深15.2 m，設計吃水10.8 m。本船是按吃水10.8 m設計的鋼質全焊接結構船舶，船體結構符合CCS的要求。船體結構采用混合結構形式，貨艙區域的主甲板(開口線外)、雙層底采用縱骨架結構，其余部位采用橫骨架結構。全船設8道橫向艙壁，其中貨艙區域4道艙壁為垂直槽型艙壁，設頂凳及底凳，其余為平面艙壁。

錨機起錨部分：錨鏈直徑為Φ70 mm(AM3)，拋錨深度為82.5 m，額定起錨拉力為232.8 kN，額定起錨速度不小于9 m/min，支持負載為1 660 kN。圖1～圖2分別為本船的錨機示意圖、錨機底座在甲板上的布置圖。

圖1 錨機示意圖

圖2 錨機布局圖

2 有限元模型

2.1 結構模型

有限元模型的范圍：錨機底座，艏樓甲板，其縱向范圍Fr 226至Fr 240(方向指向船首)。艏樓甲板下橫艙壁板、甲板縱桁、強橫梁、普通橫梁包括到模型中。有限元模型的單元類型：艏樓甲板、橫縱艙壁板、錨機底座板等結構用殼單元模擬，甲板縱桁、強橫梁、普通橫梁等用梁單元模擬。有限元模型的材料參數：錨機底座、艏樓甲板結構采用的是普通235鋼，其彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3。有限元模型坐標系為直角坐標系，X軸由尾部指向首部為正，Y軸由右舷指向左舷為正，Z軸垂向向上為正。有限元模型長度單位為mm，力的單位為N。結構有限元模型如圖3所示。

圖3 錨機基座有限元模型圖

2.2 邊界條件

邊界條件：在艙壁和距錨機較遠處的縱桁、橫梁處限制平動自由。其邊界條件如圖4所示。

2.3 計算工況及載荷

2.3.1 計算工況

計算工況的選取參照CCS推薦建議，校核一般包括2種載荷，分為甲板上浪載荷(工況A)和45%的錨機錨鏈破斷強度時載荷(工況B)，其中上浪載荷分為舷內(工況A1)和舷外(工況A2)2個方向進行校核。

圖4 結構有限元模型邊界條件

2.3.2 計算載荷

2.3.2.1 錨鏈破斷載荷

PX=Pcosβ

PY=0

FZ=Wg+Psinβ

式中：PX為垂直于軸線由船首向后方向的力，kN；P為錨鏈破斷載荷，kN；β為錨鏈與水平面夾角，β=10°；PY為平行于軸線的力，kN；FZ為豎直方向的力，kN；W為錨機重量,W=55 t；g為重力加速度，g=9.81 m/s2。

2.3.2.2 甲板上浪載荷

作用載荷方向示意圖如圖5所示。圖中，H為錨機的最大高度，m；h為錨機中心高度，m；B為平行于軸線的錨機計算寬度，m。

參照CCS推薦建議，作用在錨機上的壓力和計算面積按下述方法計算：

圖5 作用載荷方向示意圖

(1)垂直于軸線由船首向后方向，力為PX=200 MPa乘以該方向的投影面積。

(2)平行于軸線分別作用于舷內和舷外側，力為PY=150 MPa乘以f倍該方向的投影面積。

(3)機器重量由G=Wg計算。

2.3.2.3 各工況載荷計算

錨鏈工作載荷為錨鏈破斷載荷(3 600kN)的45%，即P=1 620kN，則PX=1 595.39kN，PY=0，FZ=330.36kN。

根據錨機總裝圖截取投影面面積，機器投影面積及工況載荷的計算分別見表1、表2。

表1 機器投影面積

注：平行于軸線的定義為計算寬度,A1為PX方向投影面積,A2為PY方向投影面積。

表2 工況載荷計算表

2.3.3 載荷加載方式

本文的計算采用主從節點連接錨機形心與各個螺栓, 直接將載荷施加于錨機形心處。

3 結果分析

計算結果為：

錨機底座結構最大應力見表3，板架最大形變見表4，結構壓力分布云圖以及形變云圖如圖6～圖11所示。

圖6 工況1合成應力云圖

圖7 工況2合成應力云圖

圖8 工況3合成應力云圖

圖9 工況1變形云圖

圖10 工況2變形云圖

圖11 工況3變形云圖

表3 錨機底座結構最大應力匯總

表4 板架最大變形匯總

4 結論

(1)40 000 DWT散貨船船體局部支承結構和錨機基座在上述3種不同工作載荷下的強度滿足規范強度衡準，錨機基座的設計符合規范的強度設計要求。

(2)根據計算結果可知，該船首部錨機基座及其船體局部支承結構的最大工作應力出現在錨機錨鏈破斷強度時載荷作用工況下；板架最大變形出現在舷內上浪載荷作用工況下。

(3)計算分析的過程表明，正確的模型、合理的網格劃分，科學的載荷計算、加載方法以及正確的約束條件是有限元計算的保證。

[1] 張建, 唐文獻, 魏月庭. 基于有限元法的某船舶錨機設計與分析[J].機械設計與制造，2012,(7):15-17.

[2] 伍友軍，王曉宇.3 000 t級中國海監船錨機基座強度分析[J]. 船舶，2009，(5):14-16.

[3] 中國船級社. 國內航行海船建造規范[M].北京:人民交通出版社,2012.

[4] Nastran M.有限元分析理論基礎與應用[M]. 張永昌,譯.北京:科學出版社，2004.

2013-08-08

呂厚波(1979-),男, 工程師，主要從事船檢工作；冉建華(1983-)，男，助理工程師，從事船體結構設計工作。

U661.43

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