顧俊 王連成 張思航 張玉奎

一、引言

錨機(jī)是船舶錨泊系統(tǒng)的重要組成部分，錨機(jī)在船舶拋錨和起錨的時(shí)候承受著巨大拉力，在首部的錨機(jī)還承受著甲板上浪載荷的作用，如果錨機(jī)基座設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)造成船舶錨泊系統(tǒng)損傷，可能引發(fā)重大的海損事故，因此，目前錨機(jī)基座的有限元校核在規(guī)范中已經(jīng)明確要求了。錨機(jī)主要由基座、支架、錨鏈輪、剎車、鏈輪、變速箱和電控系等組成，其中錨機(jī)基座是連接船體結(jié)構(gòu)和錨機(jī)本體的紐帶，錨機(jī)基座及其下加強(qiáng)的強(qiáng)度直接影響著錨機(jī)的安全工作。

二、錨機(jī)基座主要結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)錨機(jī)設(shè)備資料進(jìn)行錨機(jī)基座及下加強(qiáng)的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，錨機(jī)基座下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，本船錨機(jī)基座部分設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

三、有限元模型

本文分析采用的軟件為通用有限元計(jì)算分析軟件MSC.Patran，求解器為MSC.Nastran。有限元模型中單元的大小、雅克比、細(xì)長(zhǎng)比、網(wǎng)格尺寸、骨材是否需要偏心、大的骨材是否需要板單元模擬、載荷施加方法、工況、應(yīng)力衡準(zhǔn)選擇以及計(jì)算結(jié)果提取等內(nèi)容均參照CCS規(guī)范。本文模型根據(jù)結(jié)構(gòu)圖紙，選取錨機(jī)基座下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象。由于錨機(jī)布置及下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)關(guān)于中縱剖面對(duì)稱，所以選取右舷錨機(jī)進(jìn)行加載分析。模型縱向范圍為FR152-PR170，橫向范圍為整個(gè)船寬，垂向范圍為上甲板至首樓甲板。有限元模型包括了基座下的所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件，錨機(jī)基座、上甲板、艙壁板以和橫梁、縱骨和縱桁以及強(qiáng)橫梁的腹板采用殼體單元模擬。根據(jù)CCS規(guī)范，校核錨機(jī)基座及其下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)和摯鏈器下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)時(shí)采用建造尺寸模擬，有限元模型如圖3所示。

1、網(wǎng)格劃分

本模型主要采用1D-Beam單元、2D-Shell單元。網(wǎng)格單元大小為200mm。200mm左右，高應(yīng)力區(qū)域的網(wǎng)格適當(dāng)細(xì)化。甲板板、主要支撐構(gòu)件（縱桁和強(qiáng)橫梁）的腹板以及基座板用Shell單元模擬;主要支撐構(gòu)件面板和局部00強(qiáng)筋用梁?jiǎn)卧˙eam）模擬。

2、建立模型坐標(biāo)系

模型的坐標(biāo)系按照規(guī)范規(guī)定的直角坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)，采用右手笛卡爾直角坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)。坐標(biāo)原點(diǎn)定在0號(hào)肋位（0號(hào)肋位是尾垂線與基線的交點(diǎn)），X軸的正向?yàn)檠卮L(zhǎng)方向并且指向首部。Y軸的正向?yàn)檠卮瑢挿较虿⑶抑赶蜃笙稀軸的正向?yàn)榇怪毕蛏稀?/p>

四、載荷工況

按照CCS規(guī)范中對(duì)錨機(jī)基座及其下的船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核建議要求，計(jì)算載荷包括兩種晴況，設(shè)計(jì)載荷分為甲板上浪載荷和45%的錨機(jī)錨鏈的破斷載荷以及作用于摯鏈器的80%的錨鏈破斷載荷。

1、甲板上浪載荷

如圖4所示，上浪載荷認(rèn)為直接作用在垂直于錨設(shè)備中心線，壓力的作用面積為錨機(jī)在垂直于錨設(shè)備中心線上的側(cè)投影面積。

（1）垂直于錨機(jī)軸線由船首向后方向，力P_x為200kN/m²乘以該方向的投影面積。

作用于第i個(gè)螺栓組的剪切力F_xi，F(xiàn)_yi和合成F_i力可按下式計(jì)算：

根據(jù)螺栓布置圖，假設(shè)單個(gè)螺栓有效橫剖面面積為A_i得到螺栓強(qiáng)度計(jì)算的所需參數(shù)，如表1所示。表中，X_iY_i為第i組螺栓組中心在全局坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，X_iY_i為第i組螺栓組中心在局部坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，n_i為第i組螺栓組的螺栓個(gè)數(shù)。

螺栓組中心在全局坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為：

當(dāng)P_Y為舷外方向時(shí)（P_Y方向由左舷舷指向右舷），各螺栓組所受的軸向力及水平剪切力如表2所示。當(dāng)P_y為舷內(nèi)方向時(shí)（P_y方向由右舷指向左舷），各螺栓組所受的軸向力及水平剪切力如表3所示。各螺栓組載荷施加于相應(yīng)螺栓組的中心。

2、45%錨鏈破斷載荷

根據(jù)設(shè)備數(shù)據(jù)，錨鏈的破斷強(qiáng)度為181t，校核螺栓力時(shí)，取45%的錨鏈破斷力，即1775.61kN，交角為19°，將其分解成水平力755.49kN，垂向力260.14kN，按照類似計(jì)算方法，可得到各螺栓組的軸向力和剪切力，如表4所示。各螺栓組載荷施加于相應(yīng)螺栓組的中心。

3、摯鏈器80%錨鏈破斷載荷

據(jù)設(shè)備數(shù)據(jù)，錨鏈的破斷強(qiáng)度為181t，校核止鏈器時(shí)，取80%的錨鏈破斷力，即1420.49kN，垂向交角為28°，水平交角為25°，將其分解成x向水平力604.40kN，y向水平力281.84kN，z向垂向力1254.22kN，通過(guò)MPC方式加載，如圖6所示。

五、邊界條件及應(yīng)力衡準(zhǔn)

該模型的邊界條件為四周剛固，約束X、Y、Z方向的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)。

根據(jù)CCS船級(jí)社規(guī)范（2018）的要求，各種工況下，支撐結(jié)構(gòu)和基座板元的許用相當(dāng)應(yīng)力不大于材料的屈服極限。在該錨機(jī)基座及止鏈器加強(qiáng)結(jié)構(gòu)中，除應(yīng)力集中處，全部使用普通鋼，屈服極限為235 N/mm²。應(yīng)力集中處部分采用AH32鋼，屈服極限為315N/mm²。

六、計(jì)算結(jié)果

計(jì)算所得各工況下基座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的合成應(yīng)力分布如圖7-圖13所示，圖中應(yīng)力單位為N/mm²。圖中顯示的均為單元的中面應(yīng)力。計(jì)算所得各工況下最大合成應(yīng)力與許用合成應(yīng)力的比較如表5所示，除應(yīng)力集中采用AH32鋼外，錨機(jī)基座及止鏈器加強(qiáng)計(jì)算所得最大合成應(yīng)力為166.0N/mm²，小于規(guī)范許用值，所以該錨機(jī)基座及掣鏈器加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足規(guī)范的要求。

七、結(jié)論

對(duì)錨機(jī)基座進(jìn)行了有限元分析強(qiáng)度審查，依據(jù)CCS關(guān)于錨機(jī)基座強(qiáng)度計(jì)算部分的條文進(jìn)行了有限元強(qiáng)度分析，得到了3種工況下的最大合成應(yīng)力，并于許用值進(jìn)行比較。有限元強(qiáng)度分析計(jì)算結(jié)果表明，錨機(jī)的基座、摯鏈器及支撐結(jié)構(gòu)滿足CCS的要求。對(duì)比不同的工況，摯鏈器受80%錨漣破斷強(qiáng)度的這個(gè)工況對(duì)摯鏈器下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最大，部分單元超過(guò)了普通鋼的屈服限，需要采用AH32鋼才能滿足要求，設(shè)計(jì)時(shí)要特別當(dāng)心。另外2種工況甲板上浪和45%錨鏈破斷強(qiáng)度下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力小于普通鋼的屈服衡準(zhǔn)。文中有限元模型建立、校核工況和應(yīng)力衡準(zhǔn)等分析方法和計(jì)算過(guò)程為相同大小或類似大小的錨機(jī)基座有限元強(qiáng)度校核提供了分析幫助，給設(shè)計(jì)者提供一些參考依據(jù)。