董旭靜

(廣船國際技術(shù)中心)

0 前言

船舶錨系主要由錨、錨鏈、錨鏈筒、掣鏈器、導鏈器、錨機、錨鏈管、錨鏈艙以及棄鏈器等組成，對船舶安全起著極其重要的作用。船舶錨系設計和建造精度的優(yōu)劣則直接影響到船舶錨系功能能否順利實現(xiàn)。

船舶在碼頭階段進行“拉錨“試驗時，需要根據(jù)實際拉錨姿態(tài)重新調(diào)整錨閘甚至錨鉸機的位置和安裝角度，掣鏈器在拉錨定位后會出現(xiàn)與甲板下預裝加強結(jié)構(gòu)錯位的情況，通常刨掉加強結(jié)構(gòu)后重新對位裝焊，甚至出現(xiàn)大批零件因移位或修割造成短料而重新下料安裝。此外，閘刀掣鏈器加強及附近結(jié)構(gòu)較為密集，其狹小空間對重新修割、打磨和裝焊等工作造成極大困難，對船舶建造周期、建造成本及結(jié)構(gòu)修改負荷和難度產(chǎn)生了較大影響。

本文案例使用FAST_TRUCK 軟件建模，使用NASTRAN 求解器，根據(jù)49999DWT 化學品/成品油船閘刀掣鏈器資料及船體結(jié)構(gòu)進行計算，通過常規(guī)掣鏈器與其加強錯位數(shù)據(jù)分析，模擬經(jīng)常出現(xiàn)的錯位的工況，較直觀的反映到結(jié)構(gòu)受力狀況；根據(jù)初步結(jié)果進行優(yōu)化，在滿足規(guī)范要求的前提下，優(yōu)選減少后期施工修改的物量、難度及工作量的修改方案。

1 錨閘加強常規(guī)設計

本船采用的滾輪閘刀掣鏈器， 為按CB/T3844-2000 標準，適用直徑為73mm 的錨鏈的閘刀掣鏈器。錨閘的支撐結(jié)構(gòu)所承受的載荷較大，支撐結(jié)構(gòu)設計的合理性直接關系到船舶的安全。規(guī)范要求將掣鏈器的載荷單獨施加進行分析，并對掣鏈器的基座和支撐結(jié)構(gòu)進行強度評估。

1.1 掣鏈器甲板下的加強結(jié)構(gòu)

一般與掣鏈器基座落到甲板上的結(jié)構(gòu)進行對位加強。圖1 為49999DWT 化學品/成品油船閘刀掣鏈器加強，剖圖F-1，F(xiàn)-2 為與掣鏈器基座縱向結(jié)構(gòu)對正T 梁，*為與掣鏈器基座橫向結(jié)構(gòu)對齊的扁鐵。

圖1 掣鏈器加強設計

1.2 掣鏈器載荷

根據(jù)HCSR 對錨閘的載荷定義，對于錨泊作業(yè)工況下的載荷應取錨鏈的最小斷裂強度的80%進行結(jié)構(gòu)設計和校核。本船錨鏈的最小斷裂強度為3990KN，則掣鏈器的受力（P）為3192KN，見圖2。

圖2 掣鏈器載荷

2 有限元模擬受力計算

該模型通過FAST_TRUCK 建模，建立獨立的局部有限元模型，模型范圍包括全艏樓甲板結(jié)構(gòu)、掣鏈器及其加強。為了更好的反映在掣鏈器作用下，結(jié)構(gòu)受力的真實情況，模型的范圍應保證其在校核區(qū)域計算的應力不顯著受施加的邊界條件影響，長度（X）取沿船長方向從FR222 至船艏；寬度（Y）取船寬方向包括整船的左舷和右舷；高度（Z）取垂直方向從主甲板往下3 米，包括舷墻等結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)采用線單元和殼單元進行模擬，甲板、外板以及各主要支撐構(gòu)件腹板等均采用2D 板單元(SHELL)，骨材、加強筋和面板等構(gòu)件采用1D 梁單元(BEAM/BAR)，一些非常小的結(jié)構(gòu)，且對計算結(jié)果無明顯影響的不建模，全模型見圖3。

圖3 整體有限元模型示意圖

網(wǎng)格單元尺寸約200X200mm 進行劃分，同時對掣鏈器及其加強區(qū)域網(wǎng)格細化處理，網(wǎng)格尺寸約50X50mm。細網(wǎng)格區(qū)域中的所有板和骨材均使用殼單元表示，局部細化區(qū)域見圖4。

圖4 局部細化模型示意圖

3 邊界條件、載荷工況與衡準

3.1 邊界條件

模型的垂向在外板與上甲板連接處斷開，船長方向則在FR202 強框架位置切斷，在這些斷開位置都有結(jié)構(gòu)連接，因此邊界點的移動自由度是受到約束的，但并不能限制邊界點的轉(zhuǎn)動，故在船舶垂向和縱向斷開處約束X、Y、Z 三個方向的平動自由。為了提供足夠的約束，控制模型整體的自由度以便于有限元軟件的求解，進一步限制船舶前后和左右方向的位移，可增加對計算結(jié)果的沒有顯著影響的邊界條件。在舷墻頂部選取兩個節(jié)點，約束其兩個方向的自由度，其他均不約束。模型邊界條件見圖4。

圖5 模型的邊界條件

3.2 載荷工況

在實際建造過程中，因掣鏈器定位問題常導致加強結(jié)構(gòu)不對正的情況，根據(jù)常規(guī)掣鏈器與其加強錯位數(shù)據(jù)分析，模擬四種經(jīng)常出現(xiàn)的錯位的工況，即將錨閘的基座往艏左舷、往艏右舷、往艉左舷、往艉右舷各移動50mm，形成四種錯位工況。

工況一：掣鏈器的基座沿錨鏈方向往艏偏50mm，往左舷偏50mm，模型見圖5。

圖6 工況一掣鏈器加強模擬錯位示意圖

工況二：掣鏈器的基座沿錨鏈方向往艏偏50mm，往右舷偏50mm，模型見圖6。

圖7 工況二掣鏈器加強模擬錯位示意圖

工況三：掣鏈器的基座沿錨鏈方向往艉偏50mm，往左舷偏50mm，模型見圖7。

圖8 工況三摯鏈器加強模擬錯位示意圖

工況四：掣鏈器的基座沿錨鏈方向往艉偏50mm，往右舷偏50mm，模型見圖8。

圖9 工況四掣鏈器加強模擬錯位示意圖

根據(jù)HCSR 掣鏈器的載荷要求，對于錨泊作業(yè)工況下的載荷應按錨鏈的最小斷裂強度的80%進行設計和校核。本船使用直徑為73mm 的錨鏈，錨鏈的最小斷裂強度為3990KN，則掣鏈器的受力在各方向上的分力見圖7。

圖10 摯鏈器的受力

3.3 衡準

使用Von Mises 應力σvm 作為參考應力，根據(jù)CSR-H 規(guī)定，λf≤λfperm。

λf ：細化網(wǎng)格屈服利用因子，對于殼單元：λf=σvm/Ry

λfperm：細化網(wǎng)格許用利用因子，

鄰近焊縫 λfperm=1.5

因掣鏈器加強均采用AH36 高強鋼， 則Ry=235 Mpa/0.72=326 Mpa，

本掣鏈器加強評估屈服網(wǎng)格采用50x50mm 的精細網(wǎng)格，讀取計算結(jié)果的單元格的表面應力應小于等于1.5x Ry=489 Mpa.

4 計算結(jié)果及分析

4.1 四種掣鏈器加強錯位工況有限元計算結(jié)果見圖11 至圖14

圖11 工況一表面應力云圖

圖12 工況二表面應力云圖

圖13 工況三表面應力云圖

圖14 工況四表面應力云圖

從表1 結(jié)果可以看出，按以上四種掣鏈器加強錯位工況計算，都會導致甲板及加強的應力超過應力衡準值。在這種情況下，容易引起甲板及其加強結(jié)構(gòu)的損壞，必須對結(jié)構(gòu)進行修改，所以無法避免對原結(jié)構(gòu)進行修割后重新對位裝焊。

表1 船體加強結(jié)構(gòu)的應力匯總

4.2 優(yōu)化加強方案

掣鏈器工作時主要對前端甲板面及加強結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓力，結(jié)合以上初步計算分析，在詳細設計時將掣鏈器下橫向扁鐵的規(guī)格由原150X20mm 加大為200X25mm；另將橫向扁鐵在制作分段時到位點焊，待掣鏈器安裝完后確認是否對正，如未對正，將該扁鐵刨下并對正安裝。

將以上優(yōu)化方案設計反饋到有限元的模型中并計算，得出結(jié)果見圖15 至圖18。

圖15 優(yōu)化后工況一應力云圖

圖16 優(yōu)化后工況二應力云圖

圖17 優(yōu)化后工況三應力云圖

圖18 優(yōu)化后工況四應力云圖

從表2 優(yōu)化后的結(jié)果分析得出，在詳細設計時就加大扁鐵規(guī)格，如掣鏈器安裝后發(fā)生掣鏈器加強單向不大于50mm 錯位的情況時，僅將掣鏈器下橫向加強扁鐵的對正、不需要刨除重新安裝縱向大梁，即可滿足船體結(jié)構(gòu)強度的要求。

表2 船體加強結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的應力匯總

5 結(jié)束語

隨著船舶行業(yè)競爭日益加劇，降本增效成為船廠的重中之重，從設計源頭及建造工藝提前考慮，應用有限元計算方法，極大的減少后期現(xiàn)場施工修改量、降低了掣鏈器加強修改的施工難度、也在一定程度上縮短在碼頭的修改周期。