錨絞機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析

酈 羽，張海華，蔣武杰，鄔 婷

(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心上海分部，上海 200011)

錨絞機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析

酈 羽，張海華，蔣武杰，鄔 婷

(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心上海分部，上海 200011)

在總結(jié)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)船舶錨泊設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)的相關(guān)要求基礎(chǔ)上，以中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》為依據(jù)，進(jìn)行錨絞機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，基于Patran/Nastran有限元軟件對(duì)錨絞機(jī)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足中國(guó)船級(jí)社規(guī)范的相關(guān)強(qiáng)度要求。

錨絞機(jī)；錨泊結(jié)構(gòu)；強(qiáng)度；有限元

錨絞機(jī)一般布置在船艏艏樓甲板上，主要承受作業(yè)以及上浪載荷，要求錨絞機(jī)在甲板上的固定以及支撐結(jié)構(gòu)要達(dá)到足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。為了保證船舶系泊的安全，中國(guó)船級(jí)社MSC/Circ.1175通函要求必須對(duì)系泊設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析[1]。

為此，根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，采用Patran/Nastran有限元軟件對(duì)錨絞機(jī)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核。

1 錨絞機(jī)支撐結(jié)構(gòu)分析方法

錨絞機(jī)屬于船上的船用輔機(jī)，船上輔機(jī)設(shè)備較多，分為1類(lèi)輔機(jī)和2類(lèi)輔機(jī)。主發(fā)電機(jī)、推力軸承、舵機(jī)和錨絞機(jī)等承受較大的負(fù)荷和振動(dòng)的設(shè)備都?xì)w為1類(lèi)輔機(jī)，1類(lèi)輔機(jī)以外的設(shè)備為2類(lèi)輔機(jī)[2]。

在輔機(jī)基座設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)船舶設(shè)計(jì)手冊(cè)上輔機(jī)基座經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)查表，確定所設(shè)計(jì)基座的面板板厚和肘板板厚，完成基座的設(shè)計(jì)。

根據(jù)所設(shè)計(jì)基座，進(jìn)行甲板下結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。為了確定整個(gè)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，以及強(qiáng)度是否滿(mǎn)足船級(jí)社規(guī)范的要求，最終需要根據(jù)錨絞機(jī)在不同工況下的受力情況進(jìn)行強(qiáng)度校核。根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》甲板支撐結(jié)構(gòu)的有限元分析要求進(jìn)行計(jì)算校核[3-4]。

2 錨絞機(jī)支撐結(jié)構(gòu)有限元模型

2.1 有限元建模

錨絞機(jī)基座是由鋼板焊接而成，與甲板焊接連接。甲板下通過(guò)型材加強(qiáng)。在建立有限元模型時(shí)，通過(guò)板(shell)、梁(beam)結(jié)合的單元形式對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的模擬[5]。甲板下的橫梁、縱桁以及下加強(qiáng)的骨材采用T型材，小的骨材采用角鋼，連接肘板忽略不計(jì)。錨絞機(jī)與基座通過(guò)螺栓連接，載荷作用效果通過(guò)螺栓傳遞到基座和甲板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)上，為了準(zhǔn)確模擬出傳遞到基座上的錨絞機(jī)載荷， 在Patran/Nastran中，采用MPC中RBE2單元將力的作用點(diǎn)與7組螺栓位置的節(jié)點(diǎn)耦合在一起。其中力的作用點(diǎn)定義為Independent Node，螺栓所在位置的節(jié)點(diǎn)定義為Dependent Node[6-7]。在外載荷施加時(shí)，加載在作用點(diǎn)上的力就可以傳遞到基座上的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。錨絞機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的有限元模型及MPC約束見(jiàn)圖1。

圖1 錨絞機(jī)支撐結(jié)構(gòu)有限元模型

材料及參數(shù)：結(jié)構(gòu)材料采用CCS-A級(jí)鋼，ρ=7 800 kg/m3,E=206 GPa,μ=0.3。

2.2 邊界條件

錨絞機(jī)支撐結(jié)構(gòu)模型為船艏的一部分，需要對(duì)模型的邊界進(jìn)行約束。對(duì)于甲板的邊界約束：ux=uy=uz=θz=0；對(duì)于甲板下的縱艙壁和橫艙壁邊界約束：ux=uy=uz=θx=θy=θz=0。

2.3 載荷工況

錨絞機(jī)在作業(yè)過(guò)程中可能遇到多種載荷工況，如作業(yè)載荷和上浪載荷。評(píng)估基座和支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度時(shí)應(yīng)獨(dú)立施加作業(yè)載荷和上浪載荷[8]。

校核基座及支撐結(jié)構(gòu)在作業(yè)載荷下的強(qiáng)度時(shí)，考慮錨絞機(jī)在帶掣鏈器的情況下錨鏈對(duì)錨絞機(jī)的作用，取錨鏈破斷強(qiáng)度的45%為設(shè)計(jì)作業(yè)載荷[9-10]。選取焊接錨鏈，強(qiáng)度等級(jí)為3級(jí)，錨鏈直徑為36mm，查表得到錨鏈破斷力為1 050kN。錨絞機(jī)工作時(shí)的受力為垂直于滾筒軸線(xiàn)方向。

作用在錨絞機(jī)上的上浪載荷壓力和計(jì)算面積計(jì)算如下。

1)垂直于軸線(xiàn)由船艏向后方向的力為Px。

Px=200Ax

(2)

計(jì)算得Px=200×1.43 kN=286 kN。

2)平行于軸線(xiàn)分別作用于舷內(nèi)和舷外側(cè)，力為Py。

Py=150×Ay·f

(3)

式中：B——平行于軸線(xiàn)的錨絞機(jī)計(jì)算寬度，m；

H——錨絞機(jī)最大高度，m。

其中：f=1+B/H, 但不大于2.5。

f=1+0.795/1.47=1.54

計(jì)算得Py=150×2.81 kN=421.5 kN。

因此，對(duì)錨絞機(jī)受力分3種工況進(jìn)行分析：工況1，錨鏈斷裂力為45%工況；工況2,舷外上浪工況；工況3，舷內(nèi)上浪工況。各種工況下，支撐結(jié)構(gòu)和基座的計(jì)算應(yīng)力應(yīng)不大于表1中的許用值。

表1 許用應(yīng)力

注：ReH為材料屈服應(yīng)力，MPa。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)建立的有限元模型，按照2.3的載荷工況對(duì)錨絞機(jī)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算分析。各個(gè)工況下的有限元計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，各工況下的最大應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖2～4。 可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在基座面板上，為203.0MPa；最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)在基座的肘板上，為74.4 MPa。由有限元結(jié)算結(jié)果可知，錨絞機(jī)支撐結(jié)構(gòu)在各個(gè)工況下所受的應(yīng)力都滿(mǎn)足強(qiáng)度要求衡準(zhǔn)。

表2 有限元計(jì)算應(yīng)力結(jié)果 MPa

圖2 工況1，錨絞機(jī)支撐結(jié)構(gòu)相當(dāng)應(yīng)力分布

圖3 工況2，錨絞機(jī)支撐結(jié)構(gòu)相當(dāng)應(yīng)力分布

圖4 工況3，錨絞機(jī)支撐結(jié)構(gòu)相當(dāng)應(yīng)力分布

4 結(jié)論

1)錨絞機(jī)支撐結(jié)構(gòu)在各種載荷作用下的強(qiáng)度均滿(mǎn)足船級(jí)社規(guī)范的強(qiáng)度衡準(zhǔn)要求。

2)錨絞機(jī)支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析校核結(jié)果，可以作為生產(chǎn)設(shè)計(jì)和支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化布置的指導(dǎo)依據(jù)。

[1] 中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2009.

[2] 趙耕賢，鄭君鎬.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社.2000.

[3] 徐秉漢，徐 絢，徐銘麒.船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)手冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社.2002.8.

[4] 陳可越.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)[M].北京：中國(guó)交通科技出版社.2007.

[5] 顧 俊.基于有限元的25000噸成品油船船體拖帶及系泊支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[J].青島遠(yuǎn)洋船員學(xué)院報(bào),2012(2):10-11.

[6] 張海華，吳 贊，陳慶強(qiáng).船體高效舵系統(tǒng)舵結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算方法研究[J].中國(guó)造船，2013(3):38-39.

[7] 張海華，沈繼華，吳 贊，等.5萬(wàn)噸級(jí)前置預(yù)選導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度直接計(jì)算方法研究[J].中國(guó)造船，2014(4):121-122.

[8] 謝大建.系泊設(shè)備下船體支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核[J].船海工程,2012(6):38-39.

[9] 陳 震，王 璞，趙耕賢，肖熙.多點(diǎn)系泊FPSO系泊結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度研究[J].2008(2):5-6.

[10] 崔 健，陳家旺，韓 強(qiáng)，等.全回轉(zhuǎn)拖輪艏部帶纜樁甲板支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[J].船舶設(shè)計(jì)與制造.2012(2):22-24.

Strength Analysis of the Supporting Structure of Anchor Winch

LI Yu, ZHANG Hai-hua, JIANG Wu-jie, Wu Ting

(China Ship Scientific Research Center, Shanghai 200011, China)

Based on summary of the industry standard requirements of the supporting structure on anchoring and mooring equipments, the supporting structure is designed in terms of The Rules and Regulations for the Classification of Sea-going Steel Ships, and the strength of the supporting structure is analyzed by FEM in Patran / Nastran. The numerical results show that the strength of the designed structure satisfies the CCS relevant requirements.

anchor winch; anchoring and mooring structure; strength; FEM

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.009

2014-06-03

酈 羽(1987-)，男，碩士，助理工程師

U661.43

A

1671-7953(2015)01-0037-03

修回日期：2014-07-04

研究方向:船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

E-mail:liyuhust@126.com