朱顯玲 張遠(yuǎn)雙 劉建全

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050)

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錨機(jī)支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有限元分析

朱顯玲 張遠(yuǎn)雙 劉建全

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050)

以某船的錨機(jī)支撐結(jié)構(gòu)為例，采用規(guī)范公式計(jì)算出每個(gè)螺栓受力，直接施加在三維有限元模型的每個(gè)螺栓節(jié)點(diǎn)上計(jì)算錨機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，以評(píng)估其受力是否滿足設(shè)計(jì)要求。

錨機(jī)支撐結(jié)構(gòu)；有限元；強(qiáng)度

每條船在營運(yùn)過程中，經(jīng)常要進(jìn)行系泊作業(yè)，使用錨泊設(shè)備。錨泊設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)通過錨鏈要承受較大載荷。根據(jù)中國船級(jí)社《規(guī)范》[1～2]要求，船首甲板錨機(jī)固定的強(qiáng)度應(yīng)通過有限元計(jì)算對(duì)其進(jìn)行校核。

1 計(jì)算模型

在支撐結(jié)構(gòu)和基座的強(qiáng)度校核[3]中，為較好地描述區(qū)域中結(jié)構(gòu)部件在各個(gè)方向上的受力分布情況，應(yīng)盡可能采用三維有限元模型進(jìn)行分析，分析基于線彈性理論，模型中的構(gòu)件取建造厚度。根據(jù)《規(guī)范》規(guī)定模型范圍選取的原則如下：

采用局部立體結(jié)構(gòu)模型，以基座有效作用平面矩形a×b型心為中心，向四周分別擴(kuò)展至少1倍的該矩形相對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)寬距離，即模型的范圍至少為3a×3b。垂向從基座面擴(kuò)展至甲板之下的第一個(gè)平臺(tái)甲板或至少D/4(D為型深)。其邊界應(yīng)落在結(jié)構(gòu)主要的支撐結(jié)構(gòu)上。

錨機(jī)座一般都是布置在首樓甲板上的，對(duì)于對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，在模型中取模型范圍一般從尾端甲板強(qiáng)橫梁或橫艙壁至首端甲板強(qiáng)橫梁或橫艙壁約3a×3b的范圍，從中部甲板縱桁或艙壁至舷側(cè)外板。

一般來說，首樓甲板是有梁拱的，但為了簡(jiǎn)化計(jì)算，模型中不考慮梁拱的。此外，首樓甲板與主甲板之間的舷側(cè)外板是有線形的，但在計(jì)算中一般采取簡(jiǎn)化的方法，不考慮線形，認(rèn)為舷側(cè)外板是垂直首樓甲板平面的，或者直接將首樓甲板舷側(cè)節(jié)點(diǎn)約束取代舷側(cè)外板。

在模型建立中，底座結(jié)構(gòu)、甲板板、艙壁板及甲板縱桁強(qiáng)橫梁腹板用板殼單元離散；甲板縱桁及甲板強(qiáng)橫梁面板、甲板橫梁、艙壁扶強(qiáng)材用梁?jiǎn)卧x散。

邊界條件：1)艏樓甲板舷側(cè)處取為自由支持；2)甲板下艙壁在主甲板處取自由支持。

2 計(jì)算載荷

錨機(jī)設(shè)備一般會(huì)遇到作業(yè)載荷與上浪載荷，評(píng)估強(qiáng)度時(shí)應(yīng)獨(dú)立施加作業(yè)載荷與上浪載荷一般考慮三個(gè)工況：作業(yè)工況(工況一)，左舷上浪(工況二)與右舷上浪(工況三)。

本船錨鏈直徑為AM2φ40，破斷負(fù)荷為896 kN，錨鏈與水平面夾角β=17°。錨機(jī)基座螺栓布置見圖1。

錨機(jī)設(shè)計(jì)工作載荷：

P=896×45%=403.2 kN

Px0= P×cosβ= 385.58 kN

Py0= 0

Pz0= P×sinβ= -117.88 kN

另錨機(jī)重W=49.05 kN，作用在每個(gè)螺栓上

Wz= -49.05/18=-2.725 kN

圖1 錨機(jī)基座螺栓編號(hào)圖

2.1 軸向力R

考慮每個(gè)螺栓的受力為：

Rzi=-(Rxi+Ryi-Rsi) kN

其中：

h——錨機(jī)軸線離安裝平面的高度，72cm；

xi，yi——第i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；

Ai——螺栓組所有螺栓橫剖面面積之和，84.78 cm2；

Ix=∑Aixi2cm4；

Iy=∑Aiyi2cm4；

Rsi——由錨機(jī)重量作用在第i個(gè)螺栓組上的靜反力，kN，按下式計(jì)算：

Rsi=(W+Pz0)/N=(49.05+117.88)/18=9.274 kN

2.2 剪切力F

其中：

a——摩擦系數(shù)，0.5；

W——錨機(jī)重量，5.0t；

g——重力加速度，9.81m/s2；

N——螺栓組數(shù)量，18；

對(duì)于作業(yè)工況(工況一)，各螺栓節(jié)點(diǎn)的剪切力如下：

對(duì)于甲板左舷上浪(工況二)：錨機(jī)由船首向后的投影面積為2.12m2，錨機(jī)平行于軸線的投影面積為1.78m2。Px、Py按《規(guī)范》公式計(jì)算，如下：

Px=2.12×200=424kN

Py=2.5×150×1.78=667.5 kN

代入上述公式計(jì)算得各螺栓節(jié)點(diǎn)的剪切力，如下：

對(duì)于甲板右舷上浪(工況三)，與左舷上浪(工況二)類似，此處不再贅述。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

以左舷甲板上浪工況為例，各螺栓節(jié)點(diǎn)軸向力計(jì)算結(jié)果見表1。一般說來，螺栓的布置并非規(guī)則，螺栓組的中心通過畫圖很難確定，可以通過螺栓對(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，可以通過∑xi=0，∑yi=0驗(yàn)證。從表1可以看出∑Rxi=0，∑Ryi=0，∑Rzi=49.05 kN。這與規(guī)范的公式是相符的。

計(jì)算出每個(gè)螺栓節(jié)點(diǎn)的軸向力后，逐個(gè)地將其施加到有限元模型的節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果應(yīng)力云圖見圖2和圖3。

表1 螺栓節(jié)點(diǎn)軸向力計(jì)算(表中的xyz的方向?yàn)殄^機(jī)基座的局部坐標(biāo)方向)

圖2 中面相當(dāng)應(yīng)力云圖

圖3 中面剪切應(yīng)力云圖

4 結(jié) 語

實(shí)際進(jìn)行錨機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，首先需要計(jì)算出每個(gè)螺栓節(jié)點(diǎn)的軸向力，然后逐個(gè)地將載荷施加到每個(gè)螺栓節(jié)點(diǎn)上，最后對(duì)有限元應(yīng)力結(jié)果評(píng)估其是否滿足《規(guī)范》要求。

對(duì)于本文研究的某錨機(jī)支撐結(jié)構(gòu)，有限元計(jì)算所得的中面應(yīng)力相當(dāng)應(yīng)力最大絕對(duì)值為82.776MPa，剪切應(yīng)力最大絕對(duì)值為39.697MPa，最大相當(dāng)應(yīng)力與最大剪應(yīng)力均出現(xiàn)在錨機(jī)座面板上，滿足《規(guī)范》要求。

1 中國船級(jí)社. 鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范[M].人民交通出版社，2006

2 中國船級(jí)社. 鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范修改通報(bào)[M].人民交通出版社，2007

(責(zé)任編輯：譚銀元)

FEM Strength Evaluation of Windlass Supporting Structure

ZHU Xian-ling,ZHANG Yuan-shuang,LIU Jian-quan

(Wuhan Institute Of Shipbuilding Technology, Wuhan 430050,China)

Taking certain windlass supporting structure for the example, this essay calculates each bolt forces according to RULE equations then applies them into corresponding bolt nodes in 3D finite element model, lastly evaluate strength of the supporting structure.

windlass supporting structure；FEM；strength

2015-01-25

朱顯玲，女，高級(jí)工程師，主要從事船舶設(shè)計(jì)和制造方面的教學(xué)和研究工作。

U664.4

A

1671-8100(2015)03-0013-04