散貨船錨機基座及支撐船體結(jié)構(gòu)強度計算分析

陳 攀

（中國艦船研究設(shè)計中心 船舶振動噪聲重點實驗室，湖北 武漢 430064）

散貨船錨機基座及支撐船體結(jié)構(gòu)強度計算分析

陳 攀

（中國艦船研究設(shè)計中心 船舶振動噪聲重點實驗室，湖北 武漢 430064）

建立某散貨船絞車與錨機基座及支撐基座的船體局部結(jié)構(gòu)有限元模型，依據(jù)規(guī)范對基座及船體結(jié)構(gòu)進行直接計算并分析結(jié)果。計算結(jié)果表明，在甲板上浪、錨機基座承受45%錨鏈破斷力及摯鏈器受80%破斷力等3種工況下，基座及船體結(jié)構(gòu)局部強度均滿足規(guī)范要求，但基座肘板與甲板連接硬點處及基座腹板下方船體艙壁處應(yīng)力較大，這些區(qū)域在設(shè)計時應(yīng)注意。為此，采用多種方案對基座結(jié)構(gòu)及船體甲板結(jié)構(gòu)進行修改，分別得到各修改方案的基座和船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形，提出此類基座設(shè)計的注意事項。

錨機基座；絞機基座；船體結(jié)構(gòu)；有限元

0 引 言

錨機、絞車設(shè)備是船舶重要的舾裝設(shè)備，由絞車、錨機、摯鏈器及承接絞車和錨機的基座等組成?；淖饔檬沁B接設(shè)備與船體結(jié)構(gòu)。錨機工作時承受的載荷極為復(fù)雜，不僅要考慮來自錨鏈的載荷，還要考慮各個方向的甲板上浪載荷，因此對露天基座的強度要求較高，根據(jù)規(guī)范要求，需對該區(qū)域的結(jié)構(gòu)強度進行直接計算［1-4］。

采用有限元分析軟件MSC. PATRAN/NASTRAN建立某散貨船絞車、錨機基座及支撐結(jié)構(gòu)局部有限元模型，參照中國船級社（China Classification Society，CCS）相關(guān)規(guī)范［5-7］要求，對基座及支撐結(jié)構(gòu)的局部強度進行直接計算分析。根據(jù)計算結(jié)果，基座肘板與甲板連接處、甲板與錨鏈筒連接處及基座下方的船體結(jié)構(gòu)等處的應(yīng)力均較大。針對這些區(qū)域應(yīng)力較大的原因，分別提出相應(yīng)的修改方案，并分別計算，根據(jù)結(jié)果提出基座設(shè)計應(yīng)注意的事項。

1 計算模型

依據(jù)《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）［5］的要求，當絞車與錨機為整體式時，絞車也被視作錨機的一部分，需要對絞車基座和錨機基座進行校核。由于設(shè)備是左右對稱布置的且支撐結(jié)構(gòu)一致，因此僅建立一舷模型。模型范圍縱向為 FR196～船艏；橫向為船舯～左舷舷側(cè)；垂向為主甲板～艏部平臺。結(jié)構(gòu)支撐范圍較大，保證基座受力傳遞。

按照該船各構(gòu)件的設(shè)計尺寸和板厚等建立基座及船體結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，其中：船體中的甲板、縱橫艙壁、基座面板、基座腹板、基座肘板及強構(gòu)件的腹板等采用板殼單元模擬，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；船體結(jié)構(gòu)中的甲板縱骨、強構(gòu)件面板、支柱及艙壁扶強材采用梁單元模擬。

基座尺寸相對于船體較小，因此模型中絞車和錨機基座模型單元尺寸較小，遠離基座的船體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格尺寸較大，粗細網(wǎng)格之間逐漸過渡，單元邊長取50～250mm。整個模型共有25146個節(jié)點、21563個單元，基座及結(jié)構(gòu)區(qū)域見圖 1，有限元模型見圖 2。該船結(jié)構(gòu)及基座均為普通船用鋼材，材料屬性為：彈性模量E=2.06× 1011Pa ，泊松比0.3，密度7850kg/m3，屈服強度235MPa。

圖1 局部結(jié)構(gòu)模型

圖2 錨機基座有限元模型

依據(jù)《規(guī)范》，模型的邊界約束條件見表1。各個構(gòu)件許用應(yīng)力值見表2，表中eHR為材料屈服強度。

表1 模型邊界約束條件

表2 構(gòu)件許用應(yīng)力

2 計算載荷及工況

根據(jù)《規(guī)范》要求，需要校核甲板上浪（分別為左舷和右舷上浪）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》要求校核船舷0. 25L以內(nèi)因上浪而產(chǎn)生設(shè)計載荷的工況，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》第3.2.5.3節(jié)用圖示解釋了作用在錨機上的壓力和計算面積（見圖3）。

圖3 錨機受力示意

1） 垂直于軸線由船舷向后的方向上，力px為200kN/m2乘以該方向上的投影面積。

2） 平行于軸線分別作用于舷內(nèi)和舷外側(cè)，力py為150kN/m2乘以f倍該方向上的投影面積，f按式（1）定義。

式（1）中：B為平行于軸線的錨機計算寬度；H為錨機最大高度。

按照上述方法，得到各載荷計算結(jié)果如下。

1） 錨機：f=1+B/ H =1.486。

2） 絞車：f=1+B/ H =3.024，按式（1）要求f取2.5。

依據(jù)《規(guī)范》求得絞車及錨機的上浪載荷見表3。

表3 絞車及錨機上浪載荷

加載時，將各種工況計算所得的力分解至各個螺栓分別加載。作用在第i個螺栓組的軸向力iR可按式（2）～式（4）計算。

式（2）～式（4）中：px為垂直于軸線的作用力；py為平行于軸線的作用力；h為絞車、錨機軸線距安裝平面的高度； xi， yi為第i個螺栓組到所有N個螺栓組的中心的x和y方向的坐標，以作用力的相反方向為正值；Ai為第i個螺栓組所有螺栓橫剖面面積之和個螺栓組對y軸慣性矩之和；N個螺栓組對x軸慣性矩之和；Rsi為絞車或錨機質(zhì)量作用在第i個螺栓組上的靜反力。

2.2 錨機受錨鏈45%破斷力工況

該錨機帶摯鏈器，按《規(guī)范》“3.7.2.3”節(jié)要求，對于帶摯鏈器的錨機，取錨鏈破斷負荷的 45%作為支撐構(gòu)件的計算載荷。該船錨鏈選用CCSAM3級錨鏈，直徑64mm，最小破斷力3130kN。結(jié)構(gòu)所受破斷力F=1360.51kN。載荷全部作用于錨機與錨機基座螺栓組連接處。

根據(jù)錨機與摯鏈器布置圖，拉力F作用點距錨機基座平面0.89m，角度為11°；將拉力F分解為水平分力Fx和垂直分力Fy。根據(jù)力矩等效原則，水平分力Fx引起的第i個螺栓組的軸向力Rxi為

第i個螺栓組的軸向力為Ri=Rxi-Rsi-Rzi，其中Rsi和Rzi的計算式為

2.3 摯鏈器受80%破斷力工況

《規(guī)范》還要求校核摯鏈器受80%破斷力的工況，受力為錨鏈最小破斷力的80%，破斷力作用點是錨鏈在掣鏈器滾輪的附著點，方向為該附著點與錨鏈筒及甲板平面相貫線中心點連線方向，并指向錨鏈筒。

3 各工況計算結(jié)果及分析

計算4個工況，各工況結(jié)構(gòu)應(yīng)力見表4，應(yīng)力云圖見圖4～圖7。

表4 各工況結(jié)構(gòu)應(yīng)力

圖4 工況1應(yīng)力云圖

圖5 工況2應(yīng)力云圖

由表4可知，各個工況結(jié)構(gòu)應(yīng)力值均較大，但均滿足《規(guī)范》要求，應(yīng)力值很逼近許用應(yīng)力值。工況1與工況2的載荷為甲板上浪，基座受到x及y方向的波浪力載荷，且載荷作用在設(shè)備上，設(shè)備重心距基座面板有一定高度，載荷最終傳遞到肘板及甲板連接處，因而最大應(yīng)力出現(xiàn)在基座四角處的肘板與甲板相接處。工況3為錨機基座受45%破斷力，計算時錨鏈力僅加載在錨機基座上，并沿x方向，錨鏈力同樣通過錨機傳遞到錨機基座上，因此遠離錨鏈筒的肘板端部承受最大的彎矩，遠離錨鏈筒的錨機基座肘板及甲板相交處應(yīng)力較大。工況4為摯鏈器承受80%破斷力，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，開孔區(qū)域設(shè)計時應(yīng)考慮加強。

圖6 工況3應(yīng)力云圖

圖7 工況4應(yīng)力云圖

4 結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響分析

4.1 絞車基座結(jié)構(gòu)分析

由計算結(jié)果可知：錨機基座在甲板上浪載荷工況下應(yīng)力保持較高水平，但絞車應(yīng)力水平相較而言并不高；在錨機基座承受45%破斷力及摯鏈器承受80%破斷力工況下絞車基座基本不承受載荷或僅僅承受較小的載荷。因此，絞車基座整體上承受的載荷較錨機基座要小，但設(shè)計時均按最大載荷考慮。絞車基座結(jié)構(gòu)設(shè)計偏強，對絞車基座的板厚進行修改，原始設(shè)計絞車基座面板厚度為18mm，腹板及肘板厚度為16mm，分別計算不同板厚得到計算結(jié)果（見表5）。

表5 工況2的絞車計算結(jié)果

由表5可知，絞車基座在面板厚度為14mm，腹板、肘板厚度為12mm時的強度仍然滿足《規(guī)范》的要求，因此在其他條件允許的情況下可適當降低絞車基座厚度。

4.2 錨機基座四角影響

在基座高度一定、腹板和肘板高度相同的條件下，不同的肘板端部放大對連接處應(yīng)力的影響為：端部放得越大，越能降低應(yīng)力值。但對于甲板機械設(shè)備的基座，其設(shè)計不僅僅考慮強度及剛度，還需要考慮設(shè)備周圍其他設(shè)備，綜合布置原因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)計顯得十分重要。將肘板自由邊放大到45°夾角，由第3節(jié)可知，錨機基座四角在工況1與工況2下應(yīng)力水平較高，而其他區(qū)域應(yīng)力水平較低。設(shè)計腹板、肘板厚度為16mm，將肘板端部放大到45°夾角，并保持錨機基座四角肘板厚度不變，改變其他腹板及肘板的厚度，計算工況及結(jié)果見表6，計算以工況2為例。

表6 錨機基座計算結(jié)果

由表6可知，在選用肘板端部放大到45°夾角時，即使肘板厚度減為12mm，基座應(yīng)力仍然滿足《規(guī)范》要求。

4.3 基座支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

對于甲板基座，甲板下方存在縱、橫各類艙壁，艙壁和骨材支撐甲板，載荷作用在基座上并通過甲板傳遞到甲板下方的骨材及艙壁上，基座在載荷的作用下變形，當基座的變形與支撐結(jié)構(gòu)變形不一致時會出現(xiàn)應(yīng)力較大的區(qū)域。由計算結(jié)果可知，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)力在整個計算結(jié)果中最大，原始方案設(shè)計基座腹板及肘板下方縱、橫艙壁各工況最大應(yīng)力為234MPa，非常逼近許用應(yīng)力值，建議對基座腹板和肘板下方的縱、橫艙壁局部區(qū)域進行加倍補強［8］。另外，基座 x方向、y方向與船舶x方向、y方向呈21°夾角，基座腹板和肘板與船體結(jié)構(gòu)的艙壁、強構(gòu)件及橫梁同樣存在夾角，因此基座的腹板和肘板并不能踩在船體結(jié)構(gòu)骨材上，需要在基座腹板、肘板下方設(shè)置加強筋，原始設(shè)計已經(jīng)在基座腹板下方設(shè)置4條加強筋，加強筋沿基座較長腹板方向，修改為在其他腹板及肘板下方設(shè)置加強筋，保證基座受力能更好地傳遞到船體結(jié)構(gòu)上。方案修改之后各工況船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最大值由234MPa降低至 197MPa，表明在對基座下方結(jié)構(gòu)進行加強時，增強基座與船體結(jié)構(gòu)剛度的一致性有利于減少兩者的應(yīng)力水平。

5 結(jié) 語

依據(jù)CCS相應(yīng)《規(guī)范》，采用直接計算法對某散貨船舷部絞車、錨機基座及支撐基座的船體結(jié)構(gòu)強度進行計算分析，得到各個工況下的結(jié)構(gòu)最大工作應(yīng)力值及部位。分析計算結(jié)果可知，絞車、錨機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。對絞車面板、腹板及肘板的厚度進行優(yōu)化，對錨機基座除四角外肘板、腹板厚度進行適當優(yōu)化，基座腹板下方補充加強筋加強等方案，降低結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形，同時盡可能減小基座質(zhì)量。從設(shè)計及計算校核可得到以下結(jié)論：

1） 在錨機承受 45%破斷力工況計算中，錨鏈破斷力被認為僅作用在錨機基座上，雖然絞車與錨機通過傳動軸連為一體，但是該工況下載荷通過傳動軸傳遞到絞車的載荷并不大，主要載荷仍然由錨機基座承擔。

2） 甲板各類機械設(shè)備基座強度校核均需要考慮甲板上浪工況，該工況基座承受2個方向載荷，導致基座四角處肘板應(yīng)力最大，在設(shè)計時應(yīng)特別注意；肘板自由邊夾角可根據(jù)布置情況適當放大，避免形成受力硬點，可減少肘板應(yīng)力水平。

3） 計算中絞車基座承受的載荷值與錨機基座并不一樣，因此可以根據(jù)實際載荷情況對受力較小的絞車基座結(jié)構(gòu)作減薄處理；另外，錨機基座除四角結(jié)構(gòu)之外的其他區(qū)域結(jié)構(gòu)偏強，也可作適當減薄處理。

4） 機械設(shè)備基座校核時還需校核基座下方的構(gòu)件及艙壁，特別是艙壁限制基座變形，基座下方艙壁局部區(qū)域需要加強；另外，基座下方盡量設(shè)置加強筋加強，匹配基座與甲板支撐結(jié)構(gòu)強度。

［1］ 張超，紀肖，凌偉. 起重機基座支撐結(jié)構(gòu)強度分析［J］. 船海工程，2014， 43 （6）： 54-59.

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［8］ 李銘，張政，龔君來. 基座變形與船體殼板的匹配性分析［J］. 艦船科學技術(shù)，2011， 33 （8）： 73-76.

Computational Analysis of Windlass Base and Surrounding Structure Strength for Bulk Carrier

CHEN Pan
（National Key Laboratory on Ship Vibration & Noise， China Ship Development and Design Center， Wuhan 430064， China）

A finite element model is established for the windlass base and local supporting structures of a bulk carrier，where direct calculations are performed according to the rules and regulations for further analysis. The result shows that the windlass base and its local structures can satisfy the regulatory requirements under three conditions， i.e. green water on deck， the windlass base under 45% mooring line broken force and the chain stopper under 80% broken force. However，larger stress is found at the connection between base brackets and the deck as well as at the bulkhead under base web plate so these parts are given more attention during the design. As many schemes are adopted to modify the base structure and hull deck， the resulting stress and deformations according to each modification are obtained and suggestions are given for the windlass base design of this kind.

windlass base； winch base； hull structure； finite element

U664.4

A

2095-4069 （2016） 05-0055-06

10.14056/j.cnki.naoe.2016.05.011

2015-09-14

陳攀，男，助理工程師，工學碩士，1989年生。2014年畢業(yè)于武漢理工大學船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造專業(yè)，研究方向為船舶結(jié)構(gòu)動力學。