錨絞機(jī)焊接基座的載荷計(jì)算與結(jié)構(gòu)分析

潘良高，許權(quán)智

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

錨絞機(jī)焊接基座的載荷計(jì)算與結(jié)構(gòu)分析

潘良高1，許權(quán)智2

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

對(duì)錨絞機(jī)焊接基座進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，探討了錨絞機(jī)在支持負(fù)載作用下承受的最大傾覆力矩對(duì)聯(lián)結(jié)螺栓和焊接基座產(chǎn)生的載荷的計(jì)算方法及應(yīng)用ANSYS進(jìn)行基座結(jié)構(gòu)分析的加載方法。

載荷計(jì)算；焊接基座；ANSYS加載方法；錨絞機(jī)

0 引言

從2005年開(kāi)始，船級(jí)社對(duì)錨絞機(jī)的焊接基座要求進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。當(dāng)前越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)自主品牌產(chǎn)品應(yīng)用于各種運(yùn)輸船和工程船，當(dāng)前船體甲板連接的焊接基座的受力計(jì)算一般只是進(jìn)行聯(lián)接螺栓的強(qiáng)度計(jì)算，并未提出具體的載荷計(jì)算方法和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析方法[1-3]。某單位最早開(kāi)始采用ANSYS對(duì)船體部分進(jìn)行項(xiàng)目分析，根據(jù)CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》的要求，應(yīng)將錨絞機(jī)基座和系泊絞車基座視為甲板支撐結(jié)構(gòu)的一部分直接進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，并提交船級(jí)社審核，故必須對(duì)錨絞機(jī)的基座進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析[4]，校核基座的強(qiáng)度和剛度，以保證錨絞設(shè)備使用的安全可靠。針對(duì)現(xiàn)有計(jì)算狀態(tài)，本文提出具體的載荷計(jì)算方法和結(jié)構(gòu)分析的加載法。

1 基座所承受的載荷計(jì)算

1.1 錨絞機(jī)基座載荷及使用工況介紹

基座的載荷主要來(lái)自緊固基座的地腳螺栓，錨絞機(jī)承受的工作負(fù)載改變了螺栓和墊板原有的緊固狀態(tài)，同時(shí)引起了螺栓和墊板的受力變化。所以墊板的載荷計(jì)算與螺栓載荷計(jì)算聯(lián)系在一起，或者說(shuō)是螺栓載荷計(jì)算的延伸，就是把螺栓以及被其緊固的墊板（包括機(jī)座的相關(guān)部分）作為彈性系統(tǒng)，通過(guò)其在載荷作用下的變形協(xié)調(diào)，求解兩者的載荷分配。

錨絞機(jī)基座的工作負(fù)載分為下列3種情形：錨絞機(jī)額定工況時(shí)錨鏈或者纜繩的拉力、錨鏈輪（或者卷筒）支持負(fù)載工況時(shí)錨鏈或者纜繩的拉力、風(fēng)浪作用于錨絞機(jī)產(chǎn)生的側(cè)面推力。從校核基座強(qiáng)度的角度來(lái)說(shuō)，無(wú)須細(xì)究載荷來(lái)講，錨絞機(jī)基座承受的工作負(fù)載只會(huì)是三種情形中的之一，如果兩者同時(shí)發(fā)生作用應(yīng)取其合力）。工作載荷通常歸結(jié)為一個(gè)集中力，該力的作用部位總是高于基座，所以它使機(jī)器發(fā)生相對(duì)于基座移動(dòng)傾向外，并使機(jī)器有轉(zhuǎn)動(dòng)的傾向?？砂炎饔糜跈C(jī)器上的力，等效轉(zhuǎn)化為一個(gè)力矩和一個(gè)力，這個(gè)力的作用點(diǎn)應(yīng)在機(jī)座基面的螺栓組中心上。其目的是把工作載荷按其對(duì)機(jī)器的作用分成“回轉(zhuǎn)”和“平移”兩部分，以便分別計(jì)算它們對(duì)墊板的作用。

1.2 等效力及等效力矩對(duì)基座的作用

1.2.1 等效力對(duì)基座的作用

等效力中的水平分量使錨絞機(jī)有平移的傾向，機(jī)座與基座間產(chǎn)生了摩擦力與之平衡。如果摩擦力不足以抵擋水平載荷時(shí)，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(shè)螺栓的受力是均勻的，以便進(jìn)行計(jì)算。

1.2.2 等效力矩對(duì)基座的作用

作用于機(jī)器上的力矩，被稱為傾覆力矩，使機(jī)座基平面圍繞螺栓組中心轉(zhuǎn)動(dòng)微小的角度，其一側(cè)向上，另一側(cè)向下，上拉一側(cè)的螺栓拉伸量增加，基座的壓縮量減小，墊板的受的壓應(yīng)力降低；下壓的一側(cè)的螺栓的拉伸減小，基座的壓縮量增大，墊板的壓應(yīng)力提高。機(jī)座基面與基座間壓應(yīng)力分布發(fā)生變化，使得其合力的位置發(fā)生了偏移，相對(duì)其原來(lái)的位置，也是構(gòu)成一個(gè)力矩，與傾覆力矩相平衡。

1.3 螺栓組中心位置的確定

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

1.4 負(fù)載作用下的螺栓的載荷分配

為了簡(jiǎn)化計(jì)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(shù)量。

傾覆力矩的作用下，使螺栓承受了載荷Rj，Rj與回轉(zhuǎn)中心的距離為X，則：

式（1）～式（3）分別為單個(gè)螺栓在等效力和傾覆力矩作用下的載荷計(jì)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(guān)，因此要以螺栓組中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，規(guī)定螺栓的坐標(biāo)位置，螺栓拉伸一側(cè)坐標(biāo)值為正，壓縮一側(cè)為負(fù)。坐標(biāo)分正負(fù)對(duì)載荷的計(jì)算數(shù)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(jì)算

螺栓總拉力及剩余預(yù)緊力的計(jì)算式為：

式（4）、式（5）中：F′為螺栓總拉力；F″為剩余預(yù)緊力；F0為螺栓的預(yù)緊力，預(yù)緊力的大小取螺栓保證載荷的70%，雖比JB/T5000-98“重型機(jī)械通用計(jì)算條件——裝備”附錄A（提示的附錄）提供的數(shù)值稍小一些，但已在實(shí)船中廣泛應(yīng)用，安全可靠；R為螺栓附加載荷；Cb/(Cb+Cm)為相對(duì)剛度，對(duì)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(yīng)力主要是由這兩組集中力求得，然后再在模型上進(jìn)行加載。

1.6 加載面的確定

相對(duì)剛度的取值對(duì)計(jì)算結(jié)果關(guān)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(shù)”來(lái)計(jì)算螺栓的總載荷，并列出了螺栓和被聯(lián)結(jié)件的柔度系數(shù)的計(jì)算公式。剛度和柔度互為倒數(shù)，可據(jù)此寫出剛度的計(jì)算式：

對(duì)于螺栓：Cb=Eb·Ab/Lb；

對(duì)于被聯(lián)結(jié)件：Cm=Em·Am/Lm。

式中：Eb、Em分別為螺栓和被聯(lián)結(jié)件的材料的彈性模量；Ab、Am分別為螺栓和被聯(lián)結(jié)件的截面面積；Lb、Lm分別為螺栓和被聯(lián)結(jié)件的計(jì)算長(zhǎng)度（或者厚度）。

鋼材的彈性模量相差無(wú)幾，螺栓和被聯(lián)結(jié)件的計(jì)算長(zhǎng)度相等，相對(duì)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(lián)結(jié)件的形狀和面積是多種多樣的，其截面積如何確定？據(jù)有關(guān)研究表明，在確定相對(duì)剛度時(shí)作如下假設(shè)：在軸向力作用下，沿截面上變形時(shí)均勻，并且在“壓力錐體”的范圍內(nèi)擴(kuò)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(shí)際數(shù)據(jù)代入，求得相對(duì)剛度的值在0.2～0.3內(nèi)。

上述討論對(duì)底座的結(jié)構(gòu)分析是有意義的，因?yàn)榭梢詮闹械玫揭粋€(gè)認(rèn)識(shí)：傾覆力矩通過(guò)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(nèi)，具體說(shuō)相當(dāng)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(jù)。

2 基座結(jié)構(gòu)分析的一般過(guò)程

本文以φ56AM3單側(cè)式電動(dòng)錨絞機(jī)焊接基座總成為例，簡(jiǎn)單介紹了基座結(jié)構(gòu)分析的一般過(guò)程（支持負(fù)載工況）。

2.1 螺栓受力的計(jì)算

集中力（螺栓總拉力及剩余預(yù)緊力）的計(jì)算具體過(guò)程如下：

1）螺栓組中心確定，地腳螺栓布置見(jiàn)圖 2。具體計(jì)算，如表1所示。

圖2 地腳螺栓布置

由于該錨絞機(jī)不受軸向力，所以Y方向不受力，故Y坐標(biāo)值對(duì)整體結(jié)果沒(méi)有影響。因此在整個(gè)計(jì)算中并沒(méi)有考慮Y坐標(biāo)值。

表1 集中力的計(jì)算

2）螺栓總拉力及剩余預(yù)緊力計(jì)算，如表2所示。

表2 螺栓總拉力及剩余預(yù)緊力計(jì)算

3）傾覆力矩對(duì)各螺栓的附加載荷、螺栓總拉力及剩余預(yù)緊力見(jiàn)表3。

2.2 建立有限元模型

首先根據(jù)零件幾何形狀和載荷的特點(diǎn)，確定適當(dāng)?shù)姆治龇桨?，本例采用三維實(shí)體分析。在pro/E中建模（圖3），然后導(dǎo)入ANSYS。再在ANSYS中建立加載載荷的“小面積”。

表3 傾覆力矩對(duì)各螺栓的附加載荷、螺栓總拉力及剩余預(yù)緊力計(jì)算

圖3 利用pro/E對(duì)零件的建模

單元采用三維實(shí)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(guò)網(wǎng)格劃分把幾何模型轉(zhuǎn)換為有限元模型，采用“自由網(wǎng)格劃分”。劃分網(wǎng)格后的有限元模型見(jiàn)圖4，可以看出網(wǎng)格密度總體較粗，對(duì)于加載的面，網(wǎng)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(shí)際工況，對(duì)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(gè)自由度，由于焊接基座的底面是與甲板焊接的，故對(duì)底面施加UX、UY和UZ三個(gè)約束。

圖4 劃分網(wǎng)格后的有限元模型

接下來(lái)求出加載在“小面積”上的載荷，對(duì)有限元模型進(jìn)行加載。這里采用的是面載荷Pressure（壓力）加載于“小面積”上，因?yàn)槊孑d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(jì)算結(jié)果的輸出和解讀

有限元的解是位移，由位移導(dǎo)出應(yīng)變和應(yīng)力等解。該例可以通過(guò)ANSYS后處理器，把數(shù)值通過(guò)云圖方式輸出。在支持負(fù)載工況分析中，用上述加載方法，對(duì)墊板以及面板上的48個(gè)“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(jié)點(diǎn)上載荷的總和，得到的數(shù)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(shí)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(dāng)接近，而且方向一致，足以證明加載方法可以達(dá)到預(yù)定效果。

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

圖5 支持負(fù)載下基座的等效應(yīng)力云圖

圖6 支持負(fù)載下的 位移云圖

[1]紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社,1999.

[2]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2000.

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

[3]CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》[M].北京:人民交通出版社,2012.

[4]李兆元.錨絞機(jī)卷纜筒的載荷計(jì)算和結(jié)構(gòu)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(jí)工程師。主要從事機(jī)電監(jiān)造和研究。