李文華，牛國波，韓鳳翚，林珊穎，周性坤，葛楊元

（1. 大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，海底工程技術(shù)與裝備國際聯(lián)合研究中心，遼寧大連 116026；2. 南通力威機(jī)械有限公司，江蘇南通 226500）

0 引言

錨泊定位系統(tǒng)是海洋作業(yè)平臺(tái)十分關(guān)鍵的設(shè)備之一，通過動(dòng)力收放錨鏈來保證定位功能，其總體設(shè)計(jì)的合理性及綜合性能，是滿足平臺(tái)在海洋環(huán)境下全天候工況定位作業(yè)的穩(wěn)定性、可靠性、適應(yīng)性和操作維護(hù)性等的重要前提條件。一旦錨泊定位系統(tǒng)發(fā)生故障，海洋平臺(tái)將不能確保其定位能力，不僅影響平臺(tái)上的設(shè)備正常運(yùn)行，還會(huì)危及人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，保證錨泊定位系統(tǒng)安全可靠地工作是至關(guān)重要的。

錨鏈輪是錨泊定位系統(tǒng)的重要部件，直接決定著錨泊定位系統(tǒng)能否正常作業(yè)。國內(nèi)對(duì)錨泊定位系統(tǒng)錨鏈輪及其機(jī)架的研究主要基于ANSYS有限元的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。蘭鐵軍[1]以三維實(shí)體建模軟件Pro/Engineer和有限元分析軟件ANSYS為工具，對(duì)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證了零件結(jié)構(gòu)的合理性，并進(jìn)行了部分零件的優(yōu)化；史陽陽[2]以78mm液壓組合錨絞機(jī)為研究對(duì)象，采用剛?cè)狁詈?、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及有限元等理論，對(duì)錨絞機(jī)錨鏈輪的底座進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終在保證錨絞機(jī)能正常工作和盡量維持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，減輕錨鏈輪和底座的重量；李欽奉等[3]對(duì)錨絞機(jī)齒輪嚙合性能進(jìn)行有限元分析，利用非線性有限元法對(duì)齒輪沿齒寬和齒高方向的載荷分配規(guī)律進(jìn)行研究，并對(duì)輪齒在嚙合過程中的嚙合剛度變化規(guī)律進(jìn)行了分析，最終得出載荷分布是不均勻的，嚙合剛度呈周期性變化，同時(shí)說明有限元分析可以準(zhǔn)確分析嚙合規(guī)律；楊敬東等[4]在“海巡163”輪改造工程中，將主甲板上沉石絞盤更換為臥式液壓錨鏈系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)作業(yè)的載荷受力點(diǎn)和甲板結(jié)構(gòu)局部加強(qiáng)原則對(duì)“海巡163”輪系統(tǒng)下的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部加強(qiáng)方案設(shè)計(jì)，并依據(jù)規(guī)范對(duì)系統(tǒng)作業(yè)中4種工況的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元強(qiáng)度校核，對(duì)上浪工況采用的2種加載方式進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果表明最大應(yīng)力值出現(xiàn)在系統(tǒng)支座腳附近的支撐結(jié)構(gòu)上并滿足規(guī)范要求，該系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案合理可行；張建等[5]基于有限元法對(duì)某船舶錨機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，以84mm鏈徑的錨絞機(jī)為研究對(duì)象，建立了包括主軸、錨鏈輪和機(jī)體在內(nèi)的柔性有限元模型，并應(yīng)用ABAQUS進(jìn)行了支持負(fù)載、制動(dòng)負(fù)載和額定負(fù)載下錨絞機(jī)力學(xué)性能有限元分析，結(jié)果表明錨機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)符合要求，有限元分析方法可以應(yīng)用到研究強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等力學(xué)性能上。

綜上所述，對(duì)包括錨鏈輪和機(jī)架的有限元分析還存在著諸如有限元模型簡(jiǎn)化過度、網(wǎng)格精度不夠以及沒有實(shí)際工況依托等不足之處。本文以鏈徑為76 mm的“勘探三”號(hào)海洋平臺(tái)錨泊定位系統(tǒng)為研究對(duì)象，以該錨泊定位系統(tǒng)的錨鏈輪及其機(jī)架為原型同比例建模，保證所分析模型和實(shí)際工況相符。采用某一時(shí)刻線性靜應(yīng)力對(duì)該裝置錨鏈輪及其機(jī)架進(jìn)行有限元分析，應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行網(wǎng)格精細(xì)化分，局部網(wǎng)格的大小可達(dá)到1mm，精度可以達(dá)到1/1000甚至1/10000，這遠(yuǎn)高于其他研究的有限元網(wǎng)格精度。根據(jù)等效應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，找出最大應(yīng)力應(yīng)變發(fā)生位置，對(duì)錨鏈輪和機(jī)架進(jìn)行強(qiáng)度校核，驗(yàn)證錨泊定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，以保證其安全穩(wěn)定地作業(yè)。

1 錨泊定位系統(tǒng)系統(tǒng)

“勘探三”號(hào)平臺(tái)錨泊定位系統(tǒng)選型為全錨鏈結(jié)構(gòu)形式，其實(shí)物圖和根據(jù)實(shí)物等比例建模分別如圖1和圖2所示?！翱碧饺碧?hào)平臺(tái)錨泊定位系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

圖1 “勘探三”號(hào)錨泊定位系統(tǒng)實(shí)物圖

圖2 “勘探三”號(hào)錨泊定位系統(tǒng)模型

表1“勘探三”號(hào)錨鏈系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

2 錨鏈輪結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 錨鏈輪結(jié)構(gòu)

錨鏈輪即與錨鏈嚙合傳動(dòng)的卷筒，最常見的錨鏈輪根據(jù)齒數(shù)的不同，可以將其分為A型5齒錨鏈輪、B型6齒錨鏈輪和C型7齒錨鏈輪。本文分析的錨泊定位系統(tǒng)錨鏈輪采用的是圖3中的A型5齒錨鏈輪。

該錨鏈輪是高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)滲碳鋼件，采用國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077—1999。合金結(jié)構(gòu)鋼[6]中牌號(hào)為20Cr2Ni4的錨鏈輪材料屬性如表2所示。

圖3 A型5齒錨鏈輪

表2 “勘探三”號(hào)錨鏈輪材料屬性

與錨鏈輪嚙合傳動(dòng)的錨鏈?zhǔn)?6mm的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)形無檔錨鏈，根據(jù)船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CB/T 3179—1996[7]，此錨泊定位系統(tǒng)錨鏈輪的主要尺寸如表3所示，其中：節(jié)圓直徑DP為錨鏈與錨鏈輪嚙合時(shí)，錨鏈中心線所形成的正多邊形的外節(jié)圓直徑；速度計(jì)算直徑DV為確立動(dòng)力起錨時(shí)，錨鏈移動(dòng)線速度的計(jì)算直徑。

表3“勘探三”號(hào)錨鏈輪基本尺寸

2.2 錨鏈輪的載荷分析

由于錨泊定位系統(tǒng)在工作過程中錨鏈與錨鏈輪嚙合傳動(dòng)屬于強(qiáng)力傳動(dòng)，所以可忽略圓環(huán)錨鏈重量，除此之外錨鏈輪還要承受來自環(huán)形錨鏈的各種載荷（包括靜載荷、動(dòng)載荷、沖擊載荷和振動(dòng)載荷等），其中最主要是靜載荷和動(dòng)載荷：靜載荷為錨鏈輪在穩(wěn)態(tài)或靜止時(shí)承受的載荷，動(dòng)載荷為錨鏈輪和錨鏈嚙合傳動(dòng)過程中所承受的載荷[5]。本文主要分析靜載荷情況，因此將動(dòng)載荷及其他次要載荷通過北航CAXA-EB的開發(fā)環(huán)境進(jìn)行力的迭代，將A型5齒錨鏈輪所受包括動(dòng)載荷在內(nèi)的其他載荷轉(zhuǎn)換成靜載荷。經(jīng)計(jì)算，“勘探三”號(hào)平臺(tái)錨泊定位系統(tǒng)最大工作靜載荷為3000kN。

經(jīng)過分析，錨鏈與A型5齒錨鏈輪的接觸點(diǎn)從接觸到脫開的運(yùn)動(dòng)軌跡是沿著五邊形的1條邊移動(dòng)的[7]，即如果完成1圈A型5齒錨鏈輪與錨鏈的嚙合傳動(dòng)，將會(huì)呈現(xiàn)出1個(gè)正五邊形的嚙合傳動(dòng)路徑。然而，實(shí)際與錨鏈輪發(fā)生嚙合傳動(dòng)的錨鏈只有3個(gè)。這種嚙合傳動(dòng)過程有2種情況，如圖3所示：一種是2個(gè)平環(huán)和1個(gè)立環(huán)這3個(gè)錨鏈和錨鏈輪嚙合傳動(dòng)（如圖3中的M2、M3和M4）；另一種則是2個(gè)立環(huán)和1個(gè)平環(huán)這3個(gè)錨鏈和錨鏈輪間的嚙合傳動(dòng)（如M1、M2和M3）。無論是哪種嚙合傳動(dòng)過程，均可將這種嚙合傳動(dòng)過程等效為只與錨鏈輪上部接觸面嚙合，然后將最大載荷加到等效的上部接觸面進(jìn)行分析。

2.3 錨鏈輪的有限元分析

對(duì)錨鏈輪進(jìn)行有限元分析，首先需建立錨鏈輪模型，但對(duì)于錨鏈輪這種較復(fù)雜的部件，采用非專業(yè)三維建模軟件的ANSYS建模比較困難，所以首先用SolidWorks建立錨鏈輪模型（圖4），然后以“.x_t”格式導(dǎo)入ANSYS中。由于模型部件較大，將主要受力和最容易出現(xiàn)問題的錨鏈輪輪齒劃分成精度為1mm的網(wǎng)格，其余精度要求可適當(dāng)降低，最終生成有著3110756個(gè)單元和4452 076個(gè)節(jié)點(diǎn)的錨鏈輪有限元網(wǎng)格模型。

圖4 “勘探三”號(hào)錨鏈輪模型

將輪齒精度加密后劃分的錨鏈輪網(wǎng)格模型進(jìn)行單元特性分析，采用以選擇節(jié)點(diǎn)為基本未知量的位移法，然后應(yīng)用邊界條件和平衡條件將3110756個(gè)單元重新連接起來，形成錨鏈輪整體的有限元方程：

式中：K為整體結(jié)構(gòu)的剛性矩陣；q為節(jié)點(diǎn)位移列陣；f為載荷列陣。

將錨鏈輪軸心固定約束，將轉(zhuǎn)換后最大靜載荷3000kN加載到錨鏈輪齒的上部接觸面，得到錨鏈輪的等效應(yīng)力云圖和等效應(yīng)變?cè)茍D分別如圖5和圖6所示。

圖5 “勘探三”號(hào)錨鏈輪等效應(yīng)力云圖

圖6 “勘探三”號(hào)錨鏈輪等效應(yīng)變?cè)茍D

由圖5和圖6可以看出：1）錨鏈輪所受的最大應(yīng)力為88.219MPa，發(fā)生在兩齒之間和錨鏈嚙合處，根據(jù)材料屬性，錨鏈輪符合設(shè)計(jì)要求；2）錨鏈輪的最大形變?yōu)?.00046378mm，出現(xiàn)在兩齒之間和錨鏈嚙合處，根據(jù)材料屬性，錨鏈輪也滿足設(shè)計(jì)要求。

3 機(jī)架結(jié)構(gòu)有限元分析

3.1 機(jī)架結(jié)構(gòu)和載荷分析

錨泊定位系統(tǒng)機(jī)架由與地面固定約束的底座、側(cè)立板、立板四周的圍板、支撐用H型鋼和軸承座等組成，材料分別是ZG 230-450、DH36、Q 235-B、Q235-A和ZG 230-450，這些材料屬性[9]如表4所示。

表4 “勘探三”號(hào)機(jī)架材料屬性

雖然機(jī)架不是錨泊定位系統(tǒng)的主要部件，但其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在一定程度上還是會(huì)影響錨泊定位系統(tǒng)的正常運(yùn)行，尤其是軸承座承載著錨鏈輪的軸承和以靜載荷為主、摻雜著沖擊載荷和振動(dòng)載荷的各種載荷。將各種載荷通過計(jì)算轉(zhuǎn)換成靜載荷，包括整個(gè)錨泊定位系統(tǒng)設(shè)備的重量，轉(zhuǎn)換的靜載荷為3370kN，將其加載到錨泊定位系統(tǒng)機(jī)架上，而后進(jìn)行分析。

3.2 機(jī)架的有限元分析

同錨鏈輪有限元分析一樣，要對(duì)機(jī)架進(jìn)行有限元分析。首先建立機(jī)架模型，選用Solidworks建立機(jī)架模型見圖7，然后以“.x_t”的格式導(dǎo)入Ansys中。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，將側(cè)立板和H型鋼劃分成1mm精度的網(wǎng)格，其余部分可適當(dāng)降低網(wǎng)格精度，最終生成有著2431195個(gè)單元和12046315個(gè)節(jié)點(diǎn)的錨泊定位系統(tǒng)機(jī)架有限元網(wǎng)格模型。

圖7 “勘探三”號(hào)錨鏈系統(tǒng)機(jī)架模型

由于機(jī)架底座為固定約束，6自由度都被限制，將包括整個(gè)錨泊定位系統(tǒng)設(shè)備重量的計(jì)算轉(zhuǎn)換成靜載荷3370 kN加載在軸承座上，得到錨泊定位系統(tǒng)機(jī)架的等效應(yīng)力云圖和等效應(yīng)變?cè)茍D如圖8和圖9所示。

圖8 “勘探三”號(hào)錨鏈系統(tǒng)機(jī)架等效應(yīng)力云圖

圖9 “勘探三”號(hào)錨鏈系統(tǒng)機(jī)架等效應(yīng)變?cè)茍D

從圖8和圖9可以看出：1）機(jī)架所受的最大應(yīng)力為436.66MPa，發(fā)生在軸承座和機(jī)架立板連接處，根據(jù)所用材料屬性，機(jī)架符合設(shè)計(jì)要求；2）機(jī)架最大形變?yōu)?.002 474 2mm，出現(xiàn)在軸承座和機(jī)架立板連接處，根據(jù)所用材料屬性，機(jī)架也滿足設(shè)計(jì)要求；3）機(jī)架其他部件開孔處存在較大應(yīng)力，屬于應(yīng)力集中。

4 結(jié)論

依托“勘探三”號(hào)海洋平臺(tái)錨泊定位系統(tǒng)實(shí)際情況，建立了錨鏈輪和系統(tǒng)機(jī)架模型并對(duì)其進(jìn)行有限元分析，研究結(jié)果表明：有限元分析不僅可以應(yīng)用到錨泊定位系統(tǒng)的強(qiáng)度校核，還能根據(jù)有限元分析結(jié)果判斷出系統(tǒng)中容易出現(xiàn)問題的部件，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考與借鑒。本文提供的研究方法具有一定的實(shí)用性和參考價(jià)值。