錨絞機焊接基座的載荷計算與結構分析

潘良高，許權智

● (1.海軍駐南京地區航天機電系統軍事代表室，江蘇南京 210003；2.南京中船綠洲機器有限公司，江蘇南京210013)

錨絞機焊接基座的載荷計算與結構分析

潘良高1，許權智2

● (1.海軍駐南京地區航天機電系統軍事代表室，江蘇南京 210003；2.南京中船綠洲機器有限公司，江蘇南京210013)

對錨絞機焊接基座進行結構分析，探討了錨絞機在支持負載作用下承受的最大傾覆力矩對聯結螺栓和焊接基座產生的載荷的計算方法及應用ANSYS進行基座結構分析的加載方法。

載荷計算；焊接基座；ANSYS加載方法；錨絞機

0 引言

從2005年開始，船級社對錨絞機的焊接基座要求進行強度計算。當前越來越多的國內自主品牌產品應用于各種運輸船和工程船，當前船體甲板連接的焊接基座的受力計算一般只是進行聯接螺栓的強度計算，并未提出具體的載荷計算方法和結構應力分析方法[1-3]。某單位最早開始采用ANSYS對船體部分進行項目分析，根據CCS《鋼質海船入級規范》的要求，應將錨絞機基座和系泊絞車基座視為甲板支撐結構的一部分直接進行強度計算，并提交船級社審核，故必須對錨絞機的基座進行結構分析[4]，校核基座的強度和剛度，以保證錨絞設備使用的安全可靠。針對現有計算狀態，本文提出具體的載荷計算方法和結構分析的加載法。

1 基座所承受的載荷計算

1.1 錨絞機基座載荷及使用工況介紹

基座的載荷主要來自緊固基座的地腳螺栓，錨絞機承受的工作負載改變了螺栓和墊板原有的緊固狀態，同時引起了螺栓和墊板的受力變化。所以墊板的載荷計算與螺栓載荷計算聯系在一起，或者說是螺栓載荷計算的延伸，就是把螺栓以及被其緊固的墊板（包括機座的相關部分）作為彈性系統，通過其在載荷作用下的變形協調，求解兩者的載荷分配。

錨絞機基座的工作負載分為下列3種情形：錨絞機額定工況時錨鏈或者纜繩的拉力、錨鏈輪（或者卷筒）支持負載工況時錨鏈或者纜繩的拉力、風浪作用于錨絞機產生的側面推力。從校核基座強度的角度來說，無須細究載荷來講，錨絞機基座承受的工作負載只會是三種情形中的之一，如果兩者同時發生作用應取其合力）。工作載荷通常歸結為一個集中力，該力的作用部位總是高于基座，所以它使機器發生相對于基座移動傾向外，并使機器有轉動的傾向。可把作用于機器上的力，等效轉化為一個力矩和一個力，這個力的作用點應在機座基面的螺栓組中心上。其目的是把工作載荷按其對機器的作用分成“回轉”和“平移”兩部分，以便分別計算它們對墊板的作用。

1.2 等效力及等效力矩對基座的作用

1.2.1 等效力對基座的作用

等效力中的水平分量使錨絞機有平移的傾向，機座與基座間產生了摩擦力與之平衡。如果摩擦力不足以抵擋水平載荷時，其余部分將由止推塊承受。等效力的垂直分量，使基座受到壓縮，降低螺栓所承受的載荷。把等效力放置在螺栓組幾何中心，是為了假設螺栓的受力是均勻的，以便進行計算。

1.2.2 等效力矩對基座的作用

作用于機器上的力矩，被稱為傾覆力矩，使機座基平面圍繞螺栓組中心轉動微小的角度，其一側向上，另一側向下，上拉一側的螺栓拉伸量增加，基座的壓縮量減小，墊板的受的壓應力降低；下壓的一側的螺栓的拉伸減小，基座的壓縮量增大，墊板的壓應力提高。機座基面與基座間壓應力分布發生變化，使得其合力的位置發生了偏移，相對其原來的位置，也是構成一個力矩，與傾覆力矩相平衡。

1.3 螺栓組中心位置的確定

計算螺栓載荷首先要確定螺栓組中心的位置。在對稱條件下，基座的幾何中心即為螺栓組中心，在不對稱情況下，按照平面組合圖形形心公式進行螺栓組中心的計算。

1.4 負載作用下的螺栓的載荷分配

為了簡化計算，作用于螺栓組中心的等效力的垂直分量使螺栓承受“均勻”的壓力，所以可將其平均分配到螺栓上：

式中：n為螺栓的數量。

傾覆力矩的作用下，使螺栓承受了載荷Rj，Rj與回轉中心的距離為X，則：

式（1）～式（3）分別為單個螺栓在等效力和傾覆力矩作用下的載荷計算公式。從式（2）可知，傾覆力矩作用下的螺栓載荷僅與螺栓的位置有關，因此要以螺栓組中心為坐標原點，規定螺栓的坐標位置，螺栓拉伸一側坐標值為正，壓縮一側為負。坐標分正負對載荷的計算數值不變，但表明了載荷的作用方向。

1.5 螺栓和墊板的載荷計算

螺栓總拉力及剩余預緊力的計算式為：

式（4）、式（5）中：F′為螺栓總拉力；F″為剩余預緊力；F0為螺栓的預緊力，預緊力的大小取螺栓保證載荷的70%，雖比JB/T5000-98“重型機械通用計算條件——裝備”附錄A（提示的附錄）提供的數值稍小一些，但已在實船中廣泛應用，安全可靠；R為螺栓附加載荷；Cb/(Cb+Cm)為相對剛度，對于使用金屬墊圈和不加墊圈的螺栓連接，取0.2～0.3在有限元分析中，加載的應力主要是由這兩組集中力求得，然后再在模型上進行加載。

1.6 加載面的確定

相對剛度的取值對計算結果關系甚大。圖1為軸向力作用下錐體范圍。

圖1 軸向力作用下壓力錐體范圍

有研究采用“柔度系數”來計算螺栓的總載荷，并列出了螺栓和被聯結件的柔度系數的計算公式。剛度和柔度互為倒數，可據此寫出剛度的計算式：

對于螺栓：Cb=Eb·Ab/Lb；

對于被聯結件：Cm=Em·Am/Lm。

式中：Eb、Em分別為螺栓和被聯結件的材料的彈性模量；Ab、Am分別為螺栓和被聯結件的截面面積；Lb、Lm分別為螺栓和被聯結件的計算長度（或者厚度）。

鋼材的彈性模量相差無幾，螺栓和被聯結件的計算長度相等，相對剛度的值主要取決于兩者的截面面積。螺栓的截面積是明確的，就是螺桿的面積，被聯結件的形狀和面積是多種多樣的，其截面積如何確定？據有關研究表明，在確定相對剛度時作如下假設：在軸向力作用下，沿截面上變形時均勻，并且在“壓力錐體”的范圍內擴展（圖1）。并給出錐體的錐角的正切值為0.4～0.5。按此，以螺栓的實際數據代入，求得相對剛度的值在0.2～0.3內。

上述討論對底座的結構分析是有意義的，因為可以從中得到一個認識：傾覆力矩通過螺栓施加在底座墊板上的力，其作用范圍只是螺栓四周不大的范圍內，具體說相當于“壓力錐體”的底面，而不是墊板的全部。這為采用“小面積”加載提供了理論依據。

2 基座結構分析的一般過程

本文以φ56AM3單側式電動錨絞機焊接基座總成為例，簡單介紹了基座結構分析的一般過程（支持負載工況）。

2.1 螺栓受力的計算

集中力（螺栓總拉力及剩余預緊力）的計算具體過程如下：

1）螺栓組中心確定，地腳螺栓布置見圖 2。具體計算，如表1所示。

圖2 地腳螺栓布置

由于該錨絞機不受軸向力，所以Y方向不受力，故Y坐標值對整體結果沒有影響。因此在整個計算中并沒有考慮Y坐標值。

表1 集中力的計算

2）螺栓總拉力及剩余預緊力計算，如表2所示。

表2 螺栓總拉力及剩余預緊力計算

3）傾覆力矩對各螺栓的附加載荷、螺栓總拉力及剩余預緊力見表3。

2.2 建立有限元模型

首先根據零件幾何形狀和載荷的特點，確定適當的分析方案，本例采用三維實體分析。在pro/E中建模（圖3），然后導入ANSYS。再在ANSYS中建立加載載荷的“小面積”。

表3 傾覆力矩對各螺栓的附加載荷、螺栓總拉力及剩余預緊力計算

圖3 利用pro/E對零件的建模

單元采用三維實體分析的Solid 10node 92，墊板的材料為D36，其楊氏模量取2.06E5MPa，泊松比取0.3。

通過網格劃分把幾何模型轉換為有限元模型，采用“自由網格劃分”。劃分網格后的有限元模型見圖4，可以看出網格密度總體較粗，對于加載的面，網格劃分的比較密。

2.3 施加邊界條件和求解

施加邊界條件就是模擬實際工況，對有限元模型施加約束和載荷。

Solid 10node 92單元具有UX、UY和UZ三個自由度，由于焊接基座的底面是與甲板焊接的，故對底面施加UX、UY和UZ三個約束。

圖4 劃分網格后的有限元模型

接下來求出加載在“小面積”上的載荷，對有限元模型進行加載。這里采用的是面載荷Pressure（壓力）加載于“小面積”上，因為面載荷（pressure）始終垂直于被作用的表面，因此其值的大小為作用于“小面積”上的集中力除以面積。

2.4 計算結果的輸出和解讀

有限元的解是位移，由位移導出應變和應力等解。該例可以通過ANSYS后處理器，把數值通過云圖方式輸出。在支持負載工況分析中，用上述加載方法，對墊板以及面板上的48個“小面積”上施加pressure載荷。在后處理器中查詢“Nodal Calcs-Total Force Sum”施加于節點上載荷的總和，得到的數值為Fx=-0.1763908×10-8N、Fy=-0.2053639×10-8N、Fz=-189948.2N，其中X、Y方向的力趨近于0，Z方向的力為189948.2N，方向豎直向下，這就與上述分析的X方向的力由摩擦力和止推塊抵消（實際加載并未考慮該力）、Y方向（軸向力）所受的力為0，以及Z方向的力189.7974kN相當接近，而且方向一致，足以證明加載方法可以達到預定效果。

分析結果可用圖形直觀顯示，圖5為支持負載下基座的von Mises stress（等效應力）云圖。圖6為支持負載下的位移（Displacement Vector Sum）云圖。應力云圖表達了結構的應力狀況，用以判斷各部位是否滿足強度條件；位移云圖可判斷結構的剛度是否滿足要求。

圖5 支持負載下基座的等效應力云圖

圖6 支持負載下的 位移云圖

[1]紀名剛.機械設計[M].北京:高等教育出版社,1999.

[2]劉鴻文.材料力學[M].北京:高等教育出版社,2000.

[3]Johnson K L.接觸力學[M].北京:高等教育出版社,2002.

[3]CCS《鋼質海船入級規范》[M].北京:人民交通出版社,2012.

[4]李兆元.錨絞機卷纜筒的載荷計算和結構分析[J].江蘇船舶,2010(1):36-39.

Load Calculation and Structural Analysis on Anchor Winch Welding Base

PAN Liang-gao1,XU Quan-zhi2
(1.Navy Representative Office at Aerospace Electromechanical System in Nanjing District,Nanjing 210003,China; 2.CSSC Nanjing Luzhou Machine Co.,Ltd.,Nanjing 210013,China)

The structure for anchor winch welding base is analyzed.The load calculation method of overturning torque's impact on the coupling bolts and welding base is analyzed when the anchor winch is under support load.And the loading method of base structural analysis using ANSYS is discussed.

load calculation; welding base; ANSYS loading method; anchor winch

U664.4

A

潘良高(1965-)，男，高級工程師。主要從事機電監造和研究。