掣鏈器基座及其支撐結構的有限元分析

沈建華

摘要：針對掣鏈器基座及其支撐結構的強度會影響船舶安全性以及國內(nèi)尚沒有與掣鏈器強度計算相關文獻的情況，以某型號供油船的滾輪閘刀掣鏈器為對象，基于Patran & Nastran有限元軟件對掣鏈器基座及其支撐結構進行了有限元分析，確定了結構設計的合理性和安全性，提出了結構優(yōu)化設計的設想，并為掣鏈器的強度直接計算提供了重要的參考依據(jù)。

關鍵詞：掣鏈器；Patran；有限元分析

Abstract: There is no references about the FEA of anchor stopper in China that focus on the effects of the strength of anchor stopper base and its support structure on the ship security situation. By taking a certain type of bunker tankers chain stopper as the object controller, this paper carries out finite element analysis based on the finite element software Patran & Nastran for stopper base and its support structure, determines the rationality and safety of structural design, and puts forward the structural design optimization ideas and provides an important reference for the strength calculation of chain stopper.

Key words: Chain Stopper;Patran;FEA

1引言

在傳統(tǒng)的設計中，對船舶機械設備在船舶上的固定以及相關設備的支撐結構均是按結構力學和材料力學理論進行經(jīng)驗類比設計，難以滿足設計要求。 隨著有限元技術的發(fā)展和其在船舶工程上的應用，設計工程師可以運用有限元軟件對所設計的結構進行強度和剛度計算，進而根據(jù)計算結果對結構進行改進，節(jié)省了設計時間和避免了因不當設計而造成的重大損失[1]。

掣鏈器位于錨機與錨鏈筒之間的甲板上，用以夾住錨鏈。拋錨后，閘上掣鏈器，可將錨鏈的拉力傳給船體，使錨機不處于受力狀態(tài)；航行時，掣鏈器承受錨和部分錨鏈的重力，并將收到錨鏈筒內(nèi)的錨貼緊船體，不致發(fā)生撞擊[2]。因此，掣鏈器基座及其支撐結構所承受載荷力很大，其結構設計的合理性直接關系到船舶的安全性能。

近年來，中國船級社（CCS）在相關規(guī)范中已規(guī)定掣鏈支撐結構強度必須要進行強度校核才能允許建造[3]，然而，目前在國內(nèi)的研究中尚沒有與掣鏈器支撐結構強度計算相關的文獻。在本文中將應用Patran&Nastran有限元分析軟件，以某型號的供油船的掣鏈器及其支撐結構為對象進行有限元分析和探討。

2掣鏈器基座及其支撐結構的有限元模型

本掣鏈器及其附近的船體支撐結構的材料均為CCS-A級鋼，其彈性模量為206GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3，極限強度為235 MPa。

在本文中建立掣鏈器及其四周船體結構有限元模型。在有限元模型中，船體結構中基座、甲板及錨鏈筒等用板單元模擬，甲板縱梁和橫梁用梁單元模擬。該掣鏈器為滾輪閘刀掣鏈器，結構相對比較復雜，因此在建立有限元模型時并對原實際設計模型結構作了適當?shù)暮喕?，如：掣鏈器僅建立了兩塊安裝板，受力結構用MPC單元來代替，與錨鏈筒相連的肘板不予以考慮等。由于錨鏈筒有支撐作用，因此對錨鏈筒在鉛垂方向建模約2 000 mm。

在有限元模型中：X正方向為船首方向，Y正方向為船中指向左舷方向，Z負方向為鉛垂方向。有限元模型如圖1和圖2所示。

圖1掣鏈器及其附屬支撐結構的有限元模型（甲板上面）

圖2掣鏈器及其附屬支撐結構的有限元模型（甲板下面）

3邊界條件和載荷的確定

3.1邊界條件

根據(jù)CCS的相關要求，在有限元模型邊緣分別為橫艙壁、隔壁板、縱艙壁，故在這些部件與甲板相交的節(jié)點都應該施加約束。在橫艙壁與甲板的連接處約束Y和Z方向的線位移及X軸的轉角，縱艙壁與甲板的連接處約束X和Z方向的線位移及Y軸的轉角；在錨鏈筒的下端約束約束Y和Z方向的線位移及X軸的轉角。

圖3有限元模型的邊界條件

3.2載荷計算

根據(jù)文獻[3]中所規(guī)定的，掣鏈器的支撐結構的計算載荷為錨鏈破斷強度的80%，按照錨系泊布置圖所示方向，施加規(guī)定載荷工況于有限元支撐結構模型上，方向沿錨鏈拉伸方向，即沿錨鏈筒方向。在本船中選用AM-2級直徑48 mm錨鏈，其破斷拉力為1 270 kN，故設計載荷：

F = 1 270×0.8 = 1 016 kN

另外，還需要考慮結構的自重載荷，在軟件中設置一個重力加速度即可。

4計算結果及分析

有限元分析結果見表1及圖4~圖7。

從表1的結果中可以得出該船的掣鏈器基座及其支撐結構強度均滿足要求，而且在結構最大位移變形為1.55 mm，也在可接受范圍之內(nèi)，故結構設計合理。

從圖4中的板單元的應力云圖可以看出最大等效應力出現(xiàn)在掣鏈器基座與甲板的焊接靠近錨鏈筒處，屬于局部應力集中，若局部較小范圍內(nèi)區(qū)域的應力水平過大，可取所計算的單元和與其連接結點所屬單元的應力之平均值；從圖5中可以看出最大位移變形出現(xiàn)在甲板與掣鏈器基座焊接處，并且是在離錨鏈筒的遠端。梁單元上的最大正應力和最大剪切應力均出現(xiàn)在掣鏈器基座的加強材上。以上現(xiàn)象均與結構實際情況相符合，因此本文中的有限元模型建立及約束條件的設置真實地模擬了實際結構。

表1有限元分析結果

圖4應力分布云圖

圖5位移變形云圖

圖6梁單元正應力分布云圖

此外，從計算結果中可以看出各項應力值離各自的許用應力值還有較大的空間，這意味著材料的力學性能尚得到充分發(fā)揮，因此，在保證強度的要求的前提下，還可以進一步對原設計結構進行優(yōu)化設計，以減小構件的尺寸參數(shù)，從而降低船舶的建造成本。

圖7梁單元剪切應力分布云圖

5結論

本文基于Patran&Nastran有限元分析軟件，以某型號成品油船的掣鏈器基座及其附近的支撐結構為對象，根據(jù)其實際結構和受力情況，對其進行了有限元分析。有限元分析結果表明，支撐結構的加強材布置合理，原設計結構的強度剛度滿足規(guī)范要求，而并且可以本次有限元分析為基礎，在原來的設計結構上做進一步的優(yōu)化設計，以充分利用材料，降低成本。因此，對掣鏈器基座及其支撐結構進行有限元分析具有重要的實際工程意義。

此外，由于在國內(nèi)尚沒有與掣鏈器有限元分析相關的文獻，故本文對負責掣鏈器有限元分析計算送審工作的工程師具有寶貴的指導價值。

參考文獻

[1]孫麗萍. 船舶結構有限元分析[M]. 哈爾濱工程大學出版社，2004

[2]刁玉峰. 船舶舾裝工程[M]. 哈爾濱工程大學出版社，2006

[3]中國船級社. 鋼質海船入級規(guī)范[M]. 人民交通出版社，2009