7800噸化學品船錨機基座及下加強結構強度分析

顧俊 王連成 張思航 張玉奎

一、引言

錨機是船舶錨泊系統的重要組成部分，錨機在船舶拋錨和起錨的時候承受著巨大拉力，在首部的錨機還承受著甲板上浪載荷的作用，如果錨機基座設計不當，會造成船舶錨泊系統損傷，可能引發重大的海損事故，因此，目前錨機基座的有限元校核在規范中已經明確要求了。錨機主要由基座、支架、錨鏈輪、剎車、鏈輪、變速箱和電控系等組成，其中錨機基座是連接船體結構和錨機本體的紐帶，錨機基座及其下加強的強度直接影響著錨機的安全工作。

二、錨機基座主要結構形式

根據錨機設備資料進行錨機基座及下加強的圖紙設計，錨機基座下加強結構圖如圖1所示，本船錨機基座部分設計圖如圖2所示。

三、有限元模型

本文分析采用的軟件為通用有限元計算分析軟件MSC.Patran，求解器為MSC.Nastran。有限元模型中單元的大小、雅克比、細長比、網格尺寸、骨材是否需要偏心、大的骨材是否需要板單元模擬、載荷施加方法、工況、應力衡準選擇以及計算結果提取等內容均參照CCS規范。本文模型根據結構圖紙，選取錨機基座下加強結構作為研究對象。由于錨機布置及下加強結構關于中縱剖面對稱，所以選取右舷錨機進行加載分析。模型縱向范圍為FR152-PR170，橫向范圍為整個船寬，垂向范圍為上甲板至首樓甲板。有限元模型包括了基座下的所有結構構件，錨機基座、上甲板、艙壁板以和橫梁、縱骨和縱桁以及強橫梁的腹板采用殼體單元模擬。根據CCS規范，校核錨機基座及其下加強結構和摯鏈器下加強結構時采用建造尺寸模擬，有限元模型如圖3所示。

1、網格劃分

本模型主要采用1D-Beam單元、2D-Shell單元。網格單元大小為200mm。200mm左右，高應力區域的網格適當細化。甲板板、主要支撐構件（縱桁和強橫梁）的腹板以及基座板用Shell單元模擬;主要支撐構件面板和局部00強筋用梁單元（Beam）模擬。

2、建立模型坐標系

模型的坐標系按照規范規定的直角坐標系結構，采用右手笛卡爾直角坐標系結構。坐標原點定在0號肋位（0號肋位是尾垂線與基線的交點），X軸的正向為沿船長方向并且指向首部。Y軸的正向為沿船寬方向并且指向左舷。Z軸的正向為垂直向上。

四、載荷工況

按照CCS規范中對錨機基座及其下的船體結構強度校核建議要求，計算載荷包括兩種晴況，設計載荷分為甲板上浪載荷和45%的錨機錨鏈的破斷載荷以及作用于摯鏈器的80%的錨鏈破斷載荷。

1、甲板上浪載荷

如圖4所示，上浪載荷認為直接作用在垂直于錨設備中心線，壓力的作用面積為錨機在垂直于錨設備中心線上的側投影面積。

（1）垂直于錨機軸線由船首向后方向，力P_x為200kN/m²乘以該方向的投影面積。

作用于第i個螺栓組的剪切力F_xi，F_yi和合成F_i力可按下式計算：

根據螺栓布置圖，假設單個螺栓有效橫剖面面積為A_i得到螺栓強度計算的所需參數，如表1所示。表中，X_iY_i為第i組螺栓組中心在全局坐標系中的坐標，X_iY_i為第i組螺栓組中心在局部坐標系中的坐標，n_i為第i組螺栓組的螺栓個數。

螺栓組中心在全局坐標系中的坐標為：

當P_Y為舷外方向時（P_Y方向由左舷舷指向右舷），各螺栓組所受的軸向力及水平剪切力如表2所示。當P_y為舷內方向時（P_y方向由右舷指向左舷），各螺栓組所受的軸向力及水平剪切力如表3所示。各螺栓組載荷施加于相應螺栓組的中心。

2、45%錨鏈破斷載荷

根據設備數據，錨鏈的破斷強度為181t，校核螺栓力時，取45%的錨鏈破斷力，即1775.61kN，交角為19°，將其分解成水平力755.49kN，垂向力260.14kN，按照類似計算方法，可得到各螺栓組的軸向力和剪切力，如表4所示。各螺栓組載荷施加于相應螺栓組的中心。

3、摯鏈器80%錨鏈破斷載荷

據設備數據，錨鏈的破斷強度為181t，校核止鏈器時，取80%的錨鏈破斷力，即1420.49kN，垂向交角為28°，水平交角為25°，將其分解成x向水平力604.40kN，y向水平力281.84kN，z向垂向力1254.22kN，通過MPC方式加載，如圖6所示。

五、邊界條件及應力衡準

該模型的邊界條件為四周剛固，約束X、Y、Z方向的位移和轉動。

根據CCS船級社規范（2018）的要求，各種工況下，支撐結構和基座板元的許用相當應力不大于材料的屈服極限。在該錨機基座及止鏈器加強結構中，除應力集中處，全部使用普通鋼，屈服極限為235 N/mm²。應力集中處部分采用AH32鋼，屈服極限為315N/mm²。

六、計算結果

計算所得各工況下基座加強結構的合成應力分布如圖7-圖13所示，圖中應力單位為N/mm²。圖中顯示的均為單元的中面應力。計算所得各工況下最大合成應力與許用合成應力的比較如表5所示，除應力集中采用AH32鋼外，錨機基座及止鏈器加強計算所得最大合成應力為166.0N/mm²，小于規范許用值，所以該錨機基座及掣鏈器加強結構的強度滿足規范的要求。

七、結論

對錨機基座進行了有限元分析強度審查，依據CCS關于錨機基座強度計算部分的條文進行了有限元強度分析，得到了3種工況下的最大合成應力，并于許用值進行比較。有限元強度分析計算結果表明，錨機的基座、摯鏈器及支撐結構滿足CCS的要求。對比不同的工況，摯鏈器受80%錨漣破斷強度的這個工況對摯鏈器下加強結構的應力最大，部分單元超過了普通鋼的屈服限，需要采用AH32鋼才能滿足要求，設計時要特別當心。另外2種工況甲板上浪和45%錨鏈破斷強度下的結構應力小于普通鋼的屈服衡準。文中有限元模型建立、校核工況和應力衡準等分析方法和計算過程為相同大小或類似大小的錨機基座有限元強度校核提供了分析幫助，給設計者提供一些參考依據。