錨唇強(qiáng)度分析

倪偉平，翟帥帥

(上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203)

錨唇位于錨鏈出口處，直接承受錨鏈的壓迫和摩擦；錨唇作為錨的收納貼合面，將承受錨的撞擊。為克服上述作用力，錨唇必須具有足夠的強(qiáng)度。錨唇大小、形式和厚度都將影響錨唇強(qiáng)度，錨唇設(shè)計(jì)初期必須充分考慮。錨唇外形須保證錨的貼合，錨鏈平滑通過，對(duì)錨鏈鏈環(huán)有一定的支撐作用，尺寸不宜過大；錨唇實(shí)際上是幾個(gè)曲線圍繞同一軸旋轉(zhuǎn)形成的不規(guī)則幾何體，一般采用鑄件形式，有時(shí)內(nèi)部設(shè)置筋板；錨唇厚度值依賴于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和母船參數(shù)。錨唇設(shè)計(jì)中后期，錨唇大小和形式基本確定，設(shè)計(jì)重點(diǎn)為確定錨唇厚度。通常錨唇厚度越大，錨唇的強(qiáng)度越大，考慮到錨唇自重及錨唇材質(zhì)特點(diǎn)，錨唇厚度必須合理取值。

GB/T 33431—2016《錨唇厚度設(shè)計(jì)指南》(以下簡稱標(biāo)準(zhǔn))，給出錨唇厚度選用表，并提供錨唇厚度的計(jì)算公式。該標(biāo)準(zhǔn)很大程度上滿足錨唇厚度的設(shè)計(jì)要求，其提出的錨唇厚度計(jì)算公式可以看做是錨唇厚度強(qiáng)度簡易校核原則[1](以下簡稱標(biāo)準(zhǔn)校核原則)。但是，該標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)際使用中也將面臨新的問題。比如，采用此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的錨唇厚度是否有足夠的強(qiáng)度，錨唇不設(shè)置筋板時(shí)是否會(huì)影響錨唇厚度的選定。錨唇設(shè)計(jì)后期，為保證設(shè)計(jì)精準(zhǔn)，借助有限元法進(jìn)行錨唇強(qiáng)度分析，除確定錨唇受力外，有限元模型建立在確定的錨唇尺寸和形式上，錨唇厚度是唯一可變參數(shù)，相關(guān)分析實(shí)則是錨唇厚度的修正過程。標(biāo)準(zhǔn)校核法適用于錨唇設(shè)計(jì)初期，有限元法適用于錨唇設(shè)計(jì)中后期。考慮將標(biāo)準(zhǔn)校核原則和有限元法結(jié)合起來，讓標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用更高效，讓有限元法提前發(fā)揮作用，使錨唇設(shè)計(jì)更快捷、更精準(zhǔn)。

1 標(biāo)準(zhǔn)校核原則分析

錨唇分為鏈道區(qū)、過渡區(qū)和上部區(qū)，內(nèi)部設(shè)置一定數(shù)量的筋板，見圖1。不同分區(qū)采用不同厚度，厚度由鏈道區(qū)向上部區(qū)依次減小。

圖1 錨唇厚度區(qū)域劃分示意

標(biāo)準(zhǔn)中附錄A中，錨唇厚度計(jì)算公式為

t=0.5kP/(Bσy)

(1)

式中：t為錨唇厚度數(shù)值，mm；k為區(qū)域厚度系數(shù)，上部取1.0，鏈道取1.4；P為錨鏈破斷負(fù)荷的數(shù)值，N；B為錨鏈普通鏈環(huán)寬度的數(shù)值，mm；σy為錨唇材料屈服強(qiáng)度的數(shù)值，MPa，最小取200。

不考慮系數(shù)k，錨唇在鏈環(huán)寬度上承受50%錨鏈破斷負(fù)荷。根據(jù)錨鏈通過錨唇的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，至少有一個(gè)鏈環(huán)在寬度方向受到錨唇支撐，50%錨鏈破斷力是可推斷的錨唇受力極限[2]。由于錨唇采用鑄件形式，在鏈環(huán)寬度區(qū)域內(nèi)，各方向尺寸相對(duì)差異不大，可以看做塊狀體，對(duì)于塊體構(gòu)件而言，以壓應(yīng)力衡準(zhǔn)其強(qiáng)度符合材料力學(xué)原理。

由于錨鏈寬度和錨鏈破斷力與錨鏈直徑之間有一定的關(guān)系，標(biāo)準(zhǔn)建立了錨唇厚度與錨鏈直徑的直接關(guān)系，即

t=0.5kP/(Bσy)=kP/1 440d=

13.618×10-3kd(44-0.08d)

(2)

式中：d為普通錨鏈直徑的數(shù)值， mm，與普通鏈環(huán)寬度B的關(guān)系為d=B/3.6[3]；P=19.6d(44-0.08d)為三級(jí)有檔錨鏈破斷負(fù)荷與錨鏈直徑之間的關(guān)系[4]。

以直徑為102 mm的三級(jí)錨鏈為例，代入式(2)，可以獲得錨唇厚度基準(zhǔn)值為49.8 mm，考慮到鏈道系數(shù)k=1.4，可以獲得錨唇最大厚度為69.7 mm。倘若提高錨唇的材料強(qiáng)度，其厚度可以相應(yīng)減小。

無論根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)校核原則中錨唇厚度選型表還是附錄中錨唇強(qiáng)度計(jì)算公式，都可滿足錨唇厚度設(shè)計(jì)的初期需求。實(shí)際設(shè)計(jì)中，錨唇筋板也是錨唇設(shè)計(jì)必須考慮的要素，設(shè)置錨唇筋板時(shí)，錨唇筋板往往是錨唇分區(qū)的界限。標(biāo)準(zhǔn)中僅注明“不同部位筋板厚度按照對(duì)應(yīng)處錨唇厚度選取，一般不大于對(duì)應(yīng)處錨唇厚度，不小于對(duì)應(yīng)處錨臺(tái)筋板厚度”。這顯然難以滿足精準(zhǔn)設(shè)計(jì)的要求，如有筋板厚度推薦數(shù)值，將是錨唇厚度設(shè)計(jì)的補(bǔ)充。當(dāng)錨唇不設(shè)置筋板時(shí)，錨唇厚度是否需要調(diào)整，需要進(jìn)一步分析。

2 有限元法分析

借助有限元法對(duì)錨唇進(jìn)行強(qiáng)度分析，需要錨唇的具體數(shù)據(jù)建立力學(xué)模型。選取180KBC，VLCC和18000TEU 3型船舶為例，其錨唇厚度按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，上下分區(qū)設(shè)定不同厚度，內(nèi)部設(shè)置筋板。錨鏈對(duì)錨唇的作用區(qū)域僅考慮鏈道區(qū)域同時(shí)考慮錨鏈側(cè)滑現(xiàn)象，設(shè)定錨鏈作用于錨唇筋板之間的狀態(tài)稱作工況1，錨鏈作用于錨唇筋板處的狀態(tài)稱為工況2。錨唇受力為50%錨鏈破斷力。船型數(shù)據(jù)和錨唇強(qiáng)度有限元計(jì)算結(jié)果見表1。表1中所示錨唇厚度數(shù)值分別是錨唇上、下分區(qū)對(duì)應(yīng)的最大厚度，即錨唇的最小厚度和最大厚度，以下類似處理。

表1 錨唇強(qiáng)度校核信息表

表1顯示，錨唇最大應(yīng)力出現(xiàn)在工況1中，接近160 MPa，而標(biāo)準(zhǔn)中給定的錨唇材料屈服強(qiáng)度至少為200 MPa。錨唇計(jì)算應(yīng)力僅為材料屈服強(qiáng)度的80%，按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的錨唇厚度滿足強(qiáng)度要求，并有一定的安全裕度。

3型船舶錨唇應(yīng)力分布呈現(xiàn)以相似趨勢，180KBC應(yīng)力云圖見圖2。從應(yīng)力分布情況來看，錨唇在外部載荷作用處出現(xiàn)應(yīng)力高度集中區(qū)域，應(yīng)力向兩側(cè)迅速降低，上部區(qū)域幾乎不受影響。因此，錨唇厚度采取分區(qū)設(shè)計(jì)的方法是合理的。

圖2 180KBC錨唇-工況1應(yīng)力云圖

工況1的錨唇應(yīng)力最大值明顯高于工況2的錨唇應(yīng)力最大值。以VLCC為例，其工況1和工況2對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力分別為158和100 MPa。對(duì)照?qǐng)D3和圖4，工況1中，作用力位于錨唇筋板之間時(shí)，錨唇表面應(yīng)力較大，筋板應(yīng)力水平不高，筋板對(duì)錨唇的支撐作用不明顯；工況2中，作用力位于含有支撐筋板處時(shí)，最大應(yīng)力出現(xiàn)于筋板與錨唇內(nèi)側(cè)連接處，錨唇表面應(yīng)力較工況1明顯減小。因此，認(rèn)為錨唇筋板起到了強(qiáng)有效的支撐作用。

圖3 VLCC錨唇-工況1應(yīng)力云圖

圖4 VLCC錨唇-工況2應(yīng)力云圖

計(jì)算案例中，錨唇筋板厚度接近其所在區(qū)域錨唇厚度的60%～80%。在工況1中，筋板的應(yīng)力水平較低；工況2筋板對(duì)錨唇有支撐作用，應(yīng)力水平增大，約為錨唇材料屈服強(qiáng)度的50%，有較大的安全裕度，不利于材料的利用。因此，錨唇筋板厚度可適當(dāng)降低，建議其厚度不大于所在區(qū)域錨唇厚度的一半。

3 筋板對(duì)錨唇厚度的影響

為進(jìn)一步研究錨唇筋板對(duì)錨唇的支撐作用，在上述計(jì)算的基礎(chǔ)上將錨唇筋板移除，保持錨唇厚度不變，進(jìn)行錨唇強(qiáng)度分析。外力加載模式仍采用工況1、2，有限元計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 無筋板錨唇強(qiáng)度校核信息表

表2顯示，當(dāng)錨唇內(nèi)部不設(shè)置筋板時(shí)，工況1和工況2中錨唇最大應(yīng)力值幾乎一致，均滿足強(qiáng)度要求。工況1狀態(tài)下，由于加載模式和外力保持不變，錨唇內(nèi)部有無筋板對(duì)應(yīng)的應(yīng)力狀態(tài)類似，最大應(yīng)力值幾乎保持不變。工況2中，錨唇在有筋板支撐和無筋板支撐時(shí)，錨唇最大應(yīng)力發(fā)生變化。180KBC的錨唇內(nèi)部取消筋板時(shí)，錨唇最大應(yīng)力由原來的102 MPa增加到134 MPa。VLCC錨唇在設(shè)置筋板和不設(shè)置筋板時(shí)，最大應(yīng)力分別是100和155 MPa，變化較大。

180KBC錨唇不設(shè)置內(nèi)部筋板時(shí)的應(yīng)力云圖見圖5。工況1和工況2狀態(tài)下的應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，錨唇在外部載荷作用處出現(xiàn)應(yīng)力高度集中區(qū)域，應(yīng)力向兩側(cè)迅速降低。對(duì)比圖2和圖5，呈現(xiàn)類似的分布規(guī)律。

圖5 180KBC錨唇無筋板時(shí)應(yīng)力分布云圖

當(dāng)錨唇不設(shè)置內(nèi)部筋板時(shí)，錨唇直接承受外力，應(yīng)力增大約30%～55%，可見內(nèi)部筋板有較強(qiáng)的支撐作用。

保證錨唇在外力不變情況，加大錨唇厚度，以期錨唇在設(shè)置筋板和不設(shè)置筋板時(shí)都能達(dá)到相同應(yīng)力水平。工況2，筋板對(duì)于錨唇的支撐作用明顯，因此,僅考慮工況2，同時(shí)保持錨唇上部厚度不變，僅增大錨唇下部區(qū)域的厚度，有限元計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 無筋板增厚錨唇強(qiáng)度校核信息表

工況2，180KBC錨唇如設(shè)置內(nèi)部筋板，其最大應(yīng)力為102 MPa；當(dāng)錨唇不設(shè)置筋板時(shí)，如果想保持上述最大應(yīng)力水平，錨唇厚度將由原來的70 mm增大為85 mm，其他船型類似。錨唇無筋板情況下，要達(dá)到設(shè)有筋板時(shí)錨唇的同等應(yīng)力水平，錨唇厚度需要增大20%～35%，可見筋板對(duì)錨唇的支撐作用比較顯著。

由于錨唇后的增加對(duì)錨唇重量的影響較大，而且有筋板支撐的錨唇，應(yīng)力水平約為錨唇材料屈服強(qiáng)度的50%，有較大的安全裕度。因此不建議錨唇設(shè)計(jì)時(shí)直接取消筋板而增加錨唇的厚度。

4 結(jié)論

錨唇筋板對(duì)錨唇有較強(qiáng)的支撐作用，可以有效分擔(dān)錨唇受力。但按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)錨唇厚度時(shí)，可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定或取消內(nèi)部筋板；筋板的厚度可取對(duì)應(yīng)處錨唇厚度的一半，但建議不大于其厚度的2/3。

為保證錨唇在不設(shè)置筋板時(shí)達(dá)到設(shè)有筋板時(shí)同樣的安全程度，錨唇厚度需要適當(dāng)增加，可取錨唇厚度的1/4。考慮到錨唇厚度對(duì)錨唇質(zhì)量的影響，建議錨唇設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置筋板，特別是大型船舶。

將標(biāo)準(zhǔn)校核原則與有限元法有機(jī)結(jié)合，為錨唇設(shè)計(jì)提供更多數(shù)據(jù)支撐，為錨唇設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考。

只考慮了靜載狀態(tài)下的錨唇受力情況，至于收放錨過程中的沖擊作用，錨唇因腐蝕和錨鏈摩擦引起的厚度變化，應(yīng)繼續(xù)研究。