小型海船錨機(jī)基座及支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算分析*

陳 偉，嚴(yán)麗君，周俊霖

(1.舟山海之帆造船技術(shù)有限公司，浙江 舟山 316100； 2.揚(yáng)帆集團(tuán)股份有限公司，浙江 舟山 316100)

0 引 言

船舶錨機(jī)工作時(shí)承受較大載荷，基座作為連接設(shè)備與結(jié)構(gòu)的橋梁，其強(qiáng)度直接關(guān)系到船舶安全性和可靠性。它常見(jiàn)于小型海船上，橫豎幾塊鋼板圍成底座，加強(qiáng)支撐結(jié)構(gòu)也只是一般型材輔助。雖有摯鏈器在拋錨作業(yè)時(shí)承受錨鏈的拉力，但因錨機(jī)與基座依靠螺栓連接，且其自重大，振動(dòng)強(qiáng)，基座和其下支撐結(jié)構(gòu)的局部也一定受到影響，往往是船中局部發(fā)現(xiàn)裂紋，甚至結(jié)構(gòu)扭曲變形的現(xiàn)象，所以錨機(jī)基座及其下連接處的局部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)必須要達(dá)到強(qiáng)度要求，是船舶結(jié)構(gòu)安全性中需要重點(diǎn)校核的范圍。

為探究小型海船錨機(jī)基座及船體局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布特點(diǎn)，參照《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》[1]要求，采用有限元分析軟件MSC.PATRAN/NASTRAN直接計(jì)算法，對(duì)35 m污油回收船錨機(jī)基座及船體支撐結(jié)構(gòu)建立局部有限元模型來(lái)進(jìn)行分析校核，通過(guò)較為精確的應(yīng)力分布圖，得出其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性，并提出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。

1 有限元模型

1.1 模型范圍

局部立體結(jié)構(gòu)模型以基座有效作用平面矩形(a×b)為中心，四周分別擴(kuò)展至少一倍的該矩形相對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)寬距離(即3a×3b)。垂向從基座面擴(kuò)展至甲板以下的第一個(gè)平臺(tái)甲板或至少D/4(D為型深)。其邊界坐落在強(qiáng)支撐結(jié)構(gòu)上。本船錨機(jī)為φ19液壓起錨機(jī)(AM2)，位于艏升高甲板上，所以結(jié)合本船主尺度得到縱向?yàn)?54艏端壁向艏，橫向?yàn)槿珜挘瓜驗(yàn)轸忌呒装逯辆嗷€(xiàn)2 000 mm。此外，簡(jiǎn)化不考慮甲板梁拱和線(xiàn)形。

1.2 結(jié)構(gòu)模擬

應(yīng)用PATRAN和NASTRAN軟件，按照本船各構(gòu)件的設(shè)計(jì)尺寸和板厚等建立基座及船體結(jié)構(gòu)三維有限元模型,見(jiàn)圖1、2。模型中坐標(biāo)系的X軸沿船體縱向指向船艏，Y軸沿船寬方向指向左舷，Z軸沿船體垂直向上。單元類(lèi)型包括板單元和梁?jiǎn)卧猍2]。其中，基座結(jié)構(gòu)、甲板板、艙壁板及甲板縱桁與強(qiáng)橫梁腹板用板殼單元離散；甲板橫梁、甲板縱桁與強(qiáng)橫梁面板、艙壁扶強(qiáng)材、錨鏈筒用梁?jiǎn)卧x散。板殼單元大多采用四邊形網(wǎng)格，在連接或變化較大處采用少量三角形網(wǎng)格過(guò)渡。錨機(jī)基座相對(duì)局部船體結(jié)構(gòu)較小，所以模型中基座采用細(xì)網(wǎng)格單元，而船體結(jié)構(gòu)為粗網(wǎng)格單元(1/2肋距)，兩者尺寸比設(shè)置為1：2，并且粗細(xì)網(wǎng)格間逐漸過(guò)渡。

圖1 有限元模型 圖2 有限元模型(甲板下)

該船基座設(shè)有12個(gè)螺栓，基座螺栓孔具體分布及中心坐標(biāo)見(jiàn)圖3。通常通過(guò)螺栓對(duì)某一點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)求出中心點(diǎn)對(duì)此點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)，從而得到每個(gè)螺栓點(diǎn)到中心的距離，見(jiàn)表1所列。

圖3 基座螺栓具體分布圖

表1 基座螺栓的中心坐標(biāo)計(jì)算表/mm

破斷載荷采用多點(diǎn)MPC，以集中力形式方便施加載荷[3]。錨機(jī)載荷作用點(diǎn)即為獨(dú)立點(diǎn)位置，本MPC獨(dú)立點(diǎn)高度取錨鏈出鏈高度(h=535 mm)，關(guān)聯(lián)點(diǎn)為基座螺栓12個(gè)固定點(diǎn)，見(jiàn)圖4。

圖4 基座結(jié)構(gòu)模型MPC加載示意

1.3 材料特性

結(jié)構(gòu)采用“CCS-A”級(jí)鋼，計(jì)算中材料的物理特性參數(shù)如下。

彈性模量：E=2.06×105 N/mm2

泊松比：μ= 0.3

屈服應(yīng)力：σs=235 MPa

密度：ρ=7.85 t/m3

1.4 邊界條件

在艙壁和距錨機(jī)較遠(yuǎn)處的縱桁、強(qiáng)橫梁處限制平動(dòng)自由。由于采用簡(jiǎn)化方法，不考慮外板線(xiàn)形，直接節(jié)點(diǎn)約束取代舷側(cè)外板。其邊界條件見(jiàn)圖5。

圖5 邊界條件

1.5 載荷工況

在《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》中，第2篇船體部分3.2.5及3.7.2[1]對(duì)錨機(jī)及掣鏈器支撐結(jié)構(gòu)有明確的要求。本船船長(zhǎng)小于80 m，故僅校核錨泊設(shè)備承受錨鏈破斷載荷的工況，錨泊設(shè)備上浪載荷工況和錨機(jī)螺栓強(qiáng)度不進(jìn)行校核。

為方便之后的計(jì)算及加載，參考規(guī)范3.2.5所述，對(duì)力的坐標(biāo)系設(shè)定如下：以垂直于錨機(jī)軸線(xiàn)指向船首的方向?yàn)閄軸正方向，以平行于錨機(jī)軸線(xiàn)向左舷舷外為Y軸正方向，并依右手坐標(biāo)系，以垂直水平面向上為Z軸正方向。

φ19錨鏈(AM2)的破斷強(qiáng)度為P=211 kN。校核時(shí)取45%的錨鏈破斷力，其大小計(jì)算如下(本船錨機(jī)為雙鏈輪)：

P1=2×211×45%=189.9 kN。

設(shè)備資料顯示錨機(jī)重量為W=3T、出鏈方向與水平面夾角α為25°、與船體中縱剖面夾角β為0°。將其按出鏈方向進(jìn)行分解，因此錨機(jī)基座受力為：

Fx=P1×cosα= 172.108 kN

Fy= 0 kN

Fz=W+ P1×sinα= -83.255 kN

該錨機(jī)帶掣鏈器，校核掣鏈器取80%的錨鏈破斷力P2=211×80%=168.8 kN。其形式為閘刀掣鏈器，出鏈方向與水平面夾角α為-55°、與船體中縱剖面夾角β為20°，因此：

Fx=P2×cosα×cosβ=90.981 kN

Fy=P2×cosα×sinβ=33.114 kN

Fz=P2×cosα×sinβ=33.114 kN

將上述錨機(jī)基座及掣鏈器校核受力作為工況1疊加到有限元模型中，見(jiàn)圖6。

圖6 工況1受力情況

2 許用應(yīng)力

板單元的應(yīng)力取Von Mises合成應(yīng)力，按下式計(jì)算：

梁?jiǎn)卧獞?yīng)力取最大和最小組合應(yīng)力。許用應(yīng)力取[σ]=235 MPa。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 計(jì)算結(jié)果匯總

計(jì)算所得錨機(jī)及掣鏈器支撐結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力及變形匯總見(jiàn)表2、3所列。

表2 最大應(yīng)力匯總 /MPa

表3 板架最大變形匯總 /mm

3.2 應(yīng)力云圖

各構(gòu)件在工況下的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖7～11。

圖7 工況1甲板支撐結(jié)構(gòu)變形圖/mm 圖8 工況1板元合成應(yīng)力云圖/MPa

圖9 工況1板元剪切應(yīng)力云圖/MPa 圖10 工況1梁系最大組合應(yīng)力云圖/MPa

圖11 工況1 梁系最小組合應(yīng)力云圖/MPa

3.3 結(jié)果分析

從圖7～9所示的應(yīng)力云圖中可以看出，錨機(jī)受45%破斷力工況下，結(jié)構(gòu)工作應(yīng)力較大部位主要集中于基座連接錨機(jī)的個(gè)別螺栓處。掣鏈器受80%破斷力工況下，結(jié)構(gòu)工作應(yīng)力較大部位位于錨鏈管與甲板連接處。因此在錨機(jī)基座和掣鏈器下增設(shè)相應(yīng)支撐結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，尤其建議將掣鏈器下對(duì)應(yīng)縱桁結(jié)構(gòu)與錨鏈管連接起來(lái)。另外，基座肘板對(duì)結(jié)構(gòu)過(guò)渡區(qū)應(yīng)力影響較大，盡可能選用自由邊夾角大的或圓弧過(guò)渡肘板，將應(yīng)力較好地傳遞到支撐結(jié)構(gòu)，避免受力硬點(diǎn)。所以這些部位結(jié)構(gòu)在今后設(shè)計(jì)過(guò)程中需特別注意，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性直接關(guān)系到船舶的安全性能。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》相關(guān)要求，采用MSC PATRAN/NASTRAN直接計(jì)算法，重點(diǎn)對(duì)本船錨機(jī)及掣鏈器的支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(包括錨機(jī)基座)進(jìn)行了分析研究，最后得出本船錨機(jī)及掣鏈器的支撐結(jié)構(gòu)(包括錨機(jī)基座)強(qiáng)度滿(mǎn)足規(guī)范要求，同時(shí)分析結(jié)果可為規(guī)范小型海船的錨泊設(shè)計(jì)和建造提供技術(shù)參考。