多用途船絞車、錨機(jī)基座及支撐船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算分析

陳 攀，劉志忠，范明偉

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

多用途船絞車、錨機(jī)基座及支撐船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算分析

陳 攀，劉志忠，范明偉

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

建立17 600 DWT多用途船艏部絞車、錨機(jī)基座及支撐基座船體結(jié)構(gòu)局部有限元模型,依據(jù)CCS規(guī)范對基座及支撐基座的船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接計(jì)算及分析，結(jié)果表明，在甲板上浪、錨機(jī)基座承受45%錨鏈破斷力及摯鏈器受80%破斷力三種工況下基座及支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求，但基座肘板與甲板連接處、錨鏈筒與甲板連接處及基座腹板下方的船體艙壁處應(yīng)力較大，分析不同肘板自由邊過渡形式對連接處應(yīng)力的影響，提出合理的肘板自由邊過渡形式。

錨機(jī)基座；船體結(jié)構(gòu)；有限元；肘板

錨泊設(shè)備是船舶最為重要的舾裝之一，由絞車、錨機(jī)、摯鏈器、錨鏈，以及承接絞車、錨機(jī)的基座等組成。基座是連接設(shè)備與船體結(jié)構(gòu)的橋梁，也是保證船舶正常運(yùn)行的重要結(jié)構(gòu)。錨機(jī)工作時(shí)承受的載荷極為復(fù)雜，不僅有錨鏈載荷，還需要考慮各向上浪載荷，因此對基座的強(qiáng)度要求較高，基座的強(qiáng)度直接關(guān)系到船舶的安全性和可靠性，不少船舶及海洋設(shè)施的基座都進(jìn)行靜動(dòng)力計(jì)算及優(yōu)化設(shè)計(jì)[1-6]。由于船舶絞車、錨機(jī)基座及支撐結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，根據(jù)規(guī)范要求，采用有限元分析軟件MSC. PATRAN/NASTRAN，對17 600 DWT多用途船艏部絞車、錨機(jī)基座及支撐結(jié)構(gòu)建立局部有限元模型，參照中國船級(jí)社相關(guān)規(guī)范要求[7-9]，對基座及支撐結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度進(jìn)行直接計(jì)算分析。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對基座肘板形式進(jìn)行探討，選擇不同肘板自由邊與水平夾角的肘板，對比肘板樣式對結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響。

1 有限元模型

依據(jù)《國內(nèi)航行海船建造規(guī)定》(以下簡稱《規(guī)范》)3.2.5.2要求[7]，系泊絞車與錨機(jī)為整體式時(shí)，系泊絞車被認(rèn)為是錨機(jī)的一部分，所以本船需要對絞車、錨機(jī)基座進(jìn)行校核。由于該多用途船有左右對稱布置的絞車、錨機(jī)基座及掣鏈器，且支撐結(jié)構(gòu)一致，因此僅建立一舷模型。

1.1 模型范圍

縱向：FR196～船艏；橫向：船舯～左舷舷側(cè)；垂向：主甲板～艏部平臺(tái)。結(jié)構(gòu)支撐范圍較大，保證受力傳遞。

1.2 坐標(biāo)系

模型總體坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于橫剖面FR196船舯處。其中：X軸沿船體縱向指向船艏；Y軸沿船寬方向指向左舷；Z軸沿船體垂向向上。

在錨機(jī)基座建立局部坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于錨機(jī)基座中心，其中：X軸沿錨鏈載荷方向；Y軸與錨鏈載荷呈90°；Z軸沿船體垂向向上。局部坐標(biāo)系主要是為方便載荷施加而建立。

1.3 建模原則

按照多用途船各構(gòu)件設(shè)計(jì)尺寸、板厚等，建立結(jié)構(gòu)的三維有限元模型。其中，船體中的甲板、縱橫艙壁、肘板、強(qiáng)構(gòu)件的腹板，以及錨鏈艙艙壁等采用板殼(shell)單元來模擬，板殼單元大多采用四邊形單元，在連接或變化較大處采用少量三角形單元過渡。船體中甲板縱骨、強(qiáng)構(gòu)件面板、支柱及艙壁扶強(qiáng)材采用梁單元(shell)來模擬。絞車、錨機(jī)基座腹、面板及肘板均采用板單元來模擬。

因基座相對于船體而言較小，因此模型中絞車、錨機(jī)基座及基座附近的船體結(jié)構(gòu)模型單元尺寸較小，網(wǎng)格較密，逐漸過渡到基座較遠(yuǎn)處的大單元， 單元邊長一般采用50～250 mm。整個(gè)模型共有31 074個(gè)節(jié)點(diǎn)，33 754個(gè)單元，有限元模型見圖1、2。

圖1 局部結(jié)構(gòu)模型

圖2 錨機(jī)基座模型

1.4 結(jié)構(gòu)材料

本船結(jié)構(gòu)及基座均為普通船用鋼材，其材料屬性為彈性模量E=206 GPa，泊松比0.3，密度7 850 kg/m3，屈服強(qiáng)度為235 MPa。

2 計(jì)算載荷及工況

根據(jù)《規(guī)范》要求，需要校核甲板上浪和錨鏈及摯鏈器破斷等4種工況。

2.1 甲板上浪工況及載荷

《規(guī)范》3.2.5.1要求校核船舷0.25L以內(nèi)因上浪而產(chǎn)生設(shè)計(jì)載荷的工況。該工況包括受向舷內(nèi)側(cè)力(工況1)和受向舷外側(cè)力(工況2)2種工況。

《規(guī)范》3.2.5.3對作用在錨機(jī)上的壓力(px或py)和計(jì)算面積(B與H乘積)進(jìn)行介紹，見圖3。

1)垂直于軸線由船舷向后的方向上，力px為200 kN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py為150 kN乘以f倍該方向的投影面積。f按下式定義

(1)

式中：B——平行于軸線的錨機(jī)計(jì)算寬度，m；

H——錨機(jī)最大高度，m。

圖3 錨機(jī)受力示意

按照上述方法，各載荷計(jì)算結(jié)果如下：

錨機(jī)：f=1+B/H=1+1.075/1.872=1.574。

絞車：f=1+B/H=1+3.525/1.69=3.086，按式(1)要求f取2.5。

依據(jù)規(guī)范求得絞車、錨機(jī)的上浪載荷，見表1。

表1 絞錨機(jī)上浪載荷 kN

加載時(shí)，將各種工況計(jì)算所得的力分解至各個(gè)螺栓分別加載。作用在第i個(gè)螺栓組的軸向力Ri按下式計(jì)算。

(2)

(3)

(4)

式中：Rx——垂直于軸線的作用力，kN；Ry——平行于軸線的作用力，kN；h——絞車、錨機(jī)軸線距安裝平面的高度，cm；

xi,yi——第個(gè)螺栓組到所有N個(gè)螺栓組的中心的x和y方向的坐標(biāo)，cm，且以作用力的相反方向?yàn)檎担?/p>

Ai——第i個(gè)螺栓組所有螺栓橫剖面面積之和，cm2；

Rsi——絞車或錨機(jī)重量作用在第個(gè)螺栓組上的靜反力，kN。

2.2 錨機(jī)受錨鏈45%破斷力工況

該錨機(jī)帶摯鏈器，按《規(guī)范》3.7.2.3要求，對于帶摯鏈器的錨機(jī)，取錨鏈破斷負(fù)荷的45%作為支撐構(gòu)件的計(jì)算荷載。本船錨鏈選用CCSAM3級(jí)錨鏈，直徑60mm，最小破斷力2 770kN。結(jié)構(gòu)所受破斷力為F=2 770×45% =1 246.5 kN。載荷全部作用于錨機(jī)基座的螺栓組。

根據(jù)錨機(jī)與摯鏈器布置圖，拉力F作用點(diǎn)距錨機(jī)基座平面0.89 m，角度為11°，將拉力F分解為水平分力與垂直分力，根據(jù)力矩等效原則，水平分力引起的第個(gè)螺栓組的軸向力為：

(5)

第i個(gè)螺栓組的軸力為Ri=Rxi-Rsi-Rzi，其中，Rsi，Rzi為

(6)

(7)

2.3 摯鏈器受80%破斷力工況

對于帶摯鏈器的錨機(jī)，《規(guī)范》還要求校核摯鏈器受80%破斷力工況，受力為錨鏈最小破斷力的80%，破斷力作用點(diǎn)是錨鏈在掣鏈器滾輪的附著點(diǎn)，方向?yàn)樵摳街c(diǎn)與錨鏈筒與甲板平面相貫線中心點(diǎn)連線方向，并指向下方，加載形式以MPC來模擬。

3 邊界條件及應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)相關(guān)規(guī)范，模型的邊界約束條件見表2，模型約束見圖4。

表2 模型約束條件

圖4 模型約束示意

各構(gòu)件許用應(yīng)力值見表3，表中ReH為材料屈服強(qiáng)度。

表3 構(gòu)件許用應(yīng)力

4 計(jì)算結(jié)果及分析

各工況結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力及許用應(yīng)力見表4，應(yīng)力云圖見圖5～8。

表4 各工況結(jié)構(gòu)應(yīng)力 MPa

由表4可見，各工況結(jié)構(gòu)應(yīng)力值均較大，但滿足《規(guī)范》要求。工況1與工況2的載荷為甲板上浪，整體基座均受到載荷，最大應(yīng)力出現(xiàn)在基座四角處的肘板與甲板相接處，見圖5～6。

圖5 工況一應(yīng)力云圖

圖6 工況二應(yīng)力云圖

工況3為錨機(jī)基座受45%破斷力，在遠(yuǎn)離錨鏈筒的錨機(jī)基座肘板及甲板相交處應(yīng)力較大，見圖7。

圖7 工況三應(yīng)力云圖

分析工況1～3肘板應(yīng)力較大的原因：在甲板上浪工況時(shí)，基座受到X及Y方向的波浪力，波浪力作用于設(shè)備上，設(shè)備中心距基座有一定高度，因此基座受到X及Y方向的彎矩，最終傳遞到肘板及甲板連接處，該處肘板應(yīng)力則較大，且因?yàn)槭艿絏及Y向的載荷，在基座4個(gè)角中易出現(xiàn)對角應(yīng)力較大，其他2個(gè)對角應(yīng)力稍小的情況；而工況3則不同，該工況僅有錨機(jī)基座承受載荷，且載荷方向至沿X向，因此遠(yuǎn)離錨鏈筒的肘板端部承受最大的彎矩，該處應(yīng)力必然最大。摯鏈器受80%破斷力工況結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大部位位于錨鏈筒與甲板連接處，摯鏈器靠近錨鏈筒，甲板與錨鏈孔相交處開孔，開孔區(qū)域易出現(xiàn)應(yīng)力集中，見圖8，開孔區(qū)域設(shè)計(jì)時(shí)贏考慮加強(qiáng)。

圖8 工況四應(yīng)力云圖

對于支撐結(jié)構(gòu)而言，甲板下方存在縱、橫各類艙壁，艙壁及骨材支撐甲板，基座在受到載荷作用下變形，當(dāng)基座的變形與支撐結(jié)構(gòu)變形不一致時(shí)則會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力較大的區(qū)域。從計(jì)算可知在艙壁與基座腹板、肘板相交處，因基座變形被艙壁限制，該處艙壁應(yīng)力較大，建議基座腹板下方的艙壁局部區(qū)域補(bǔ)強(qiáng)[10]。

5 肘板形式及尺寸對應(yīng)力的影響

該船基座肘板樣式見圖9，肘板一邊與水平呈66°夾角(見圖9a))，因主要工況應(yīng)力較大區(qū)域均出現(xiàn)在肘板與甲板連接處，本節(jié)對肘板形式對應(yīng)力的影響進(jìn)行探討，選取其他幾種肘板形式(見圖9b)～c))，肘板自由邊與水平夾角分別為52°及45°，并將計(jì)算結(jié)果與原始結(jié)果進(jìn)行對比，見表5所示，表中僅列出工況3，即錨機(jī)承受45%錨鏈破斷力工況。

圖9 基座肘板樣式

表5 工況3不同樣式肘板結(jié)構(gòu)應(yīng)力 MPa

由表5可見,不同肘板形式對結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響極大。選用肘板自由邊與水平夾角越小，應(yīng)力越小，其中當(dāng)選擇夾角為45°時(shí)，相當(dāng)應(yīng)力降到181 MPa，降低約17%。

以圖9c)樣式肘板為例，分析板厚對應(yīng)力分布的影響，設(shè)計(jì)肘板厚度為18 mm，若將肘板腹板厚度統(tǒng)一改為16及14 mm，結(jié)果見表6。

表6 樣式c肘板不同腹板、肘板厚度結(jié)構(gòu)應(yīng)力

由表6可見,在選用肘板形式c)時(shí)，即使肘板厚度減為14 mm，結(jié)構(gòu)應(yīng)力仍然滿足規(guī)范的要求，且重量減少了22.22%，表明肘板樣式選擇對基座材料厚度選擇有直接影響。

對于甲板機(jī)械設(shè)備的基座，其設(shè)計(jì)不僅僅只考慮強(qiáng)度及剛度，還需要考慮設(shè)備周圍其他設(shè)備，綜合布置因素給出基座允許的范圍。因此在給定的范圍內(nèi)，基座肘板樣式的設(shè)計(jì)顯得十分重要。

6 結(jié)論

依據(jù)中國船級(jí)社相應(yīng)規(guī)范，采用直接計(jì)算法對17 600 DWT多用途船舷部絞車、錨機(jī)基座及支撐結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析，得到各個(gè)工況下的結(jié)構(gòu)最大工作應(yīng)力值及部位，從分析結(jié)果可知，絞車、錨機(jī)的基座和摯鏈器及支撐結(jié)構(gòu)滿足相應(yīng)規(guī)范的要求，但設(shè)計(jì)及計(jì)算校核應(yīng)注意以下問題。

1)在錨機(jī)承受45%破斷力工況計(jì)算中，破斷力主要作用于錨機(jī)基座，雖然絞車與錨機(jī)通過傳動(dòng)軸連為一體，但是該工況下載荷通過傳動(dòng)軸傳遞到絞車的載荷并不大，因此載荷考慮全部由錨機(jī)基座承擔(dān)，而且這樣更偏安全考慮。

2)甲板機(jī)械設(shè)備基座校核均需要考慮甲板上浪工況，通過計(jì)算結(jié)果可知在各工況下基座四角處肘板應(yīng)力最大，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意。

3)基座肘板形式對結(jié)構(gòu)過渡區(qū)域應(yīng)力影響極大，在布置允許的情況下，應(yīng)盡量選用自由邊夾角大的肘板或圓弧過渡肘板，使得受力較好地傳遞到支撐結(jié)構(gòu)，不要形成受力硬點(diǎn)。

4)甲板機(jī)械設(shè)備基座校核時(shí)還需校核基座下方的強(qiáng)構(gòu)件及艙壁，這些結(jié)構(gòu)限制基座變形，局部區(qū)域需要加強(qiáng)，必要時(shí)需要采用基座與支撐結(jié)構(gòu)的匹配措施。

[1] 張 超,紀(jì) 肖,凌 偉.起重機(jī)基座支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[J].船海工程,2014(6):54-59.

[2] 黃志遠(yuǎn).大型抓斗式挖泥船起重機(jī)基座支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及建造要點(diǎn)分析[J].船海工程,2014(4):65-68，72.

[3] 朱孫科,馬大為,何 勇.基于動(dòng)力學(xué)仿真的艦炮基座結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2009,20:6650-6652，6657.

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[5] 何 強(qiáng),馬大為,樂貴高發(fā)，等.基于iSIGHT的某型多管火箭炮基座的輕量化設(shè)計(jì)[J].火力與指揮控制,2014(10):113-116.

[6] 林國問,馬大為,朱孫科.車載多管火箭炮發(fā)射系統(tǒng)基座的輕量化[J].彈道學(xué)報(bào),2012(2):101-105.

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[8] 中國船級(jí)社.船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南[S].北京:人民交通出版社,2009.

[9] 中國船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范修改通報(bào)2011[S].北京:人民交通出版社,2011.

[10] 李 銘,張 政,龔君來.基座變形與船體殼板的匹配性分析[J].艦船科學(xué)技術(shù),2011(8):73-76.

Structural Strength FE Calculation of Winch Foundation,Windlass Foundation and Support Structures

CHEN Pan, LIU Zhi-zhong, FAN Ming-wei

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

The local FE model of winch foundation, windlass foundation and supporting structure of the 17 600 DWT multi-purpose ship is established to assess the local strength in terms of CCS rules. The results show that the stresses of winch foundation, windlass foundation and support structures satisfy the requirements of CCS rules, but the brackets of foundation and connecting parts of hawse pipe and deck are large. Different transitional forms of bracket are simulated to study the influence upon stress distribution of the connecting part and present the best transitional form.

windlass foundation; support structure; FEM; bracket

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.004

2015-07-10

交通運(yùn)輸部交通建設(shè)科技項(xiàng)目(20113282221590)

陳 攀(1989-)，男，碩士,助理工程師

U663.6

A

1671-7953(2015)06-0013-05

修回日期：2015-09-07

研究方向:船舶結(jié)構(gòu)振動(dòng)

E-mail: panda3267@126.com