40 000 DWT散貨船錨機底座及支撐結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的強度破壞，影響船體結(jié)構(gòu)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(jù)規(guī)范要求施加了相關(guān)邊界條件，并依據(jù)規(guī)范許用應力衡準要求對計算結(jié)果進行了分析。計算結(jié)果表明，本船的錨機底座及船體支撐結(jié)構(gòu)的有限元強度滿足規(guī)范要求，本文的研究成果對同類船舶的錨機底座結(jié)構(gòu)強度以及船體局部結(jié)構(gòu)強度分析具有一定的借鑒意義。

錨裝置；底痤；連接結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)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(huán)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(jié)構(gòu)強度。以前船體結(jié)構(gòu)設計人員僅憑經(jīng)驗對其結(jié)構(gòu)進行加強，隨著國內(nèi)CAE技術(shù)的發(fā)展，對船體局部結(jié)構(gòu)乃至整船的強度校核成為可能。因此，必須對船體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的有限元直接計算能夠取得滿意的結(jié)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(guī)范，研究了3種工況下錨機基座及其附屬加強結(jié)構(gòu)應力形變情況。

1 主要尺度及其他參數(shù)

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(zhì)全焊接結(jié)構(gòu)船舶，船體結(jié)構(gòu)符合CCS的要求。船體結(jié)構(gòu)采用混合結(jié)構(gòu)形式，貨艙區(qū)域的主甲板(開口線外)、雙層底采用縱骨架結(jié)構(gòu)，其余部位采用橫骨架結(jié)構(gòu)。全船設8道橫向艙壁，其中貨艙區(qū)域4道艙壁為垂直槽型艙壁，設頂?shù)始暗椎?，其余為平面艙壁?/p>

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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)：錨機底座、艏樓甲板結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(nèi)(工況A1)和舷外(工況A2)2個方向進行校核。

圖4 結(jié)構(gòu)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(nèi)和舷外側(cè)，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，F(xiàn)Z=330.36kN。

根據(jù)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(jié)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(jié)果分析

計算結(jié)果為：

錨機底座結(jié)構(gòu)最大應力見表3，板架最大形變見表4，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)最大應力匯總

表4 板架最大變形匯總

4 結(jié)論

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

(2)根據(jù)計算結(jié)果可知，該船首部錨機基座及其船體局部支承結(jié)構(gòu)的最大工作應力出現(xiàn)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(xiàn)在舷內(nèi)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(wǎng)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(jiān)船錨機基座強度分析[J]. 船舶，2009，(5):14-16.

[3] 中國船級社. 國內(nèi)航行海船建造規(guī)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(jié)構(gòu)設計工作。

U661.43

A