40 000 DWT散货船锚机底座及支撑结构强度分析
2014-07-31吕厚波冉建华
吕厚波，冉建华
(1.盐城市地方海事局,江苏 盐城 224003；2.上海江南长兴造船有限责任公司，上海 201913)
40 000 DWT散货船锚机底座及支撑结构强度分析
吕厚波1，冉建华2
(1.盐城市地方海事局,江苏 盐城 224003；2.上海江南长兴造船有限责任公司，上海 201913)
锚机在外部缆绳拉力过大的情况下易引起锚机底座及船体支撑结构的强度破坏，影响船体结构能力。以40 000 DWT散货船锚机底座为研究对象，采用MSC/PATRAN和MSC/NASTRAN有限元软件，建立有限元模型，考虑2种典型载荷工况：甲板上浪载荷以及45%锚机锚链破断强度，根据规范要求施加了相关边界条件，并依据规范许用应力衡准要求对计算结果进行了分析。计算结果表明，本船的锚机底座及船体支撑结构的有限元强度满足规范要求，本文的研究成果对同类船舶的锚机底座结构强度以及船体局部结构强度分析具有一定的借鉴意义。
锚装置；底痤；连接结构；结构强度
0 引言
锚机是主要的船用锚系泊设备，其主要作用是保持船位不变，船舶紧急制动，使船安全靠离码头。随着船舶吨位的增加，锚机所承受的载荷也越来越大，对其可靠性、安全性的要求也越来越高。锚机一般位于船舶艏楼甲板上，在工作环境中一般受到锚链的作用，且在船舶运营中承受较大的上浪载荷，这就要求锚机在甲板上的固定达到合理的结构强度。以前船体结构设计人员仅凭经验对其结构进行加强，随着国内CAE技术的发展，对船体局部结构乃至整船的强度校核成为可能。因此，必须对船体结构锚机基座进行有限元分析计算。张建[1]使用ANSYS软件分析了锚机各部位应力和形变情况，锚机基座等局部结构的有限元直接计算能够取得满意的结果。本文以40 000 DWT散货船锚机基座为研究对象，采用大型有限元软件MSC.PATRAN/NASTRAN进行有限元计算分析，参照CCS(中国船级社)规范，研究了3种工况下锚机基座及其附属加强结构应力形变情况。
1 主要尺度及其他参数
40 000 DWT散货船主要尺度：总长189.23 m，垂线间长180 m，型宽30 m，型深15.2 m，设计吃水10.8 m。本船是按吃水10.8 m设计的钢质全焊接结构船舶，船体结构符合CCS的要求。船体结构采用混合结构形式，货舱区域的主甲板(开口线外)、双层底采用纵骨架结构，其余部位采用横骨架结构。全船设8道横向舱壁，其中货舱区域4道舱壁为垂直槽型舱壁，设顶凳及底凳，其余为平面舱壁。
锚机起锚部分：锚链直径为Φ70 mm(AM3)，抛锚深度为82.5 m，额定起锚拉力为232.8 kN，额定起锚速度不小于9 m/min，支持负载为1 660 kN。图1～图2分别为本船的锚机示意图、锚机底座在甲板上的布置图。
图1 锚机示意图
图2 锚机布局图
2 有限元模型
2.1 结构模型
有限元模型的范围：锚机底座，艏楼甲板，其纵向范围Fr 226至Fr 240(方向指向船首)。艏楼甲板下横舱壁板、甲板纵桁、强横梁、普通横梁包括到模型中。有限元模型的单元类型：艏楼甲板、横纵舱壁板、锚机底座板等结构用壳单元模拟，甲板纵桁、强横梁、普通横梁等用梁单元模拟。有限元模型的材料参数：锚机底座、艏楼甲板结构采用的是普通235钢，其弹性模量为2.06×1011Pa，泊松比为0.3。有限元模型坐标系为直角坐标系，X轴由尾部指向首部为正，Y轴由右舷指向左舷为正，Z轴垂向向上为正。有限元模型长度单位为mm，力的单位为N。结构有限元模型如图3所示。
图3 锚机基座有限元模型图
2.2 边界条件
边界条件：在舱壁和距锚机较远处的纵桁、横梁处限制平动自由。其边界条件如图4所示。
2.3 计算工况及载荷
2.3.1 计算工况
计算工况的选取参照CCS推荐建议，校核一般包括2种载荷，分为甲板上浪载荷(工况A)和45%的锚机锚链破断强度时载荷(工况B)，其中上浪载荷分为舷内(工况A1)和舷外(工况A2)2个方向进行校核。
图4 结构有限元模型边界条件
2.3.2 计算载荷
2.3.2.1 锚链破断载荷
PX=Pcosβ
PY=0
FZ=Wg+Psinβ
式中：PX为垂直于轴线由船首向后方向的力，kN；P为锚链破断载荷，kN；β为锚链与水平面夹角，β=10°；PY为平行于轴线的力，kN；FZ为竖直方向的力，kN；W为锚机重量,W=55 t；g为重力加速度，g=9.81 m/s2。
2.3.2.2 甲板上浪载荷
作用载荷方向示意图如图5所示。图中，H为锚机的最大高度，m；h为锚机中心高度，m；B为平行于轴线的锚机计算宽度，m。
参照CCS推荐建议，作用在锚机上的压力和计算面积按下述方法计算：
图5 作用载荷方向示意图
(1)垂直于轴线由船首向后方向，力为PX=200 MPa乘以该方向的投影面积。
(2)平行于轴线分别作用于舷内和舷外侧，力为PY=150 MPa乘以f倍该方向的投影面积。
(3)机器重量由G=Wg计算。
2.3.2.3 各工况载荷计算
锚链工作载荷为锚链破断载荷(3 600kN)的45%，即P=1 620kN，则PX=1 595.39kN，PY=0，FZ=330.36kN。
根据锚机总装图截取投影面面积，机器投影面积及工况载荷的计算分别见表1、表2。
表1 机器投影面积
注：平行于轴线的定义为计算宽度,A1为PX方向投影面积,A2为PY方向投影面积。
表2 工况载荷计算表
2.3.3 载荷加载方式
本文的计算采用主从节点连接锚机形心与各个螺栓, 直接将载荷施加于锚机形心处。
3 结果分析
计算结果为：
锚机底座结构最大应力见表3，板架最大形变见表4，结构压力分布云图以及形变云图如图6～图11所示。
图6 工况1合成应力云图
图7 工况2合成应力云图
图8 工况3合成应力云图
图9 工况1变形云图
图10 工况2变形云图
图11 工况3变形云图
表3 锚机底座结构最大应力汇总
表4 板架最大变形汇总
4 结论
(1)40 000 DWT散货船船体局部支承结构和锚机基座在上述3种不同工作载荷下的强度满足规范强度衡准，锚机基座的设计符合规范的强度设计要求。
(2)根据计算结果可知，该船首部锚机基座及其船体局部支承结构的最大工作应力出现在锚机锚链破断强度时载荷作用工况下；板架最大变形出现在舷内上浪载荷作用工况下。
(3)计算分析的过程表明，正确的模型、合理的网格划分，科学的载荷计算、加载方法以及正确的约束条件是有限元计算的保证。
[1] 张建, 唐文献, 魏月庭. 基于有限元法的某船舶锚机设计与分析[J].机械设计与制造，2012,(7):15-17.
[2] 伍友军，王晓宇.3 000 t级中国海监船锚机基座强度分析[J]. 船舶，2009，(5):14-16.
[3] 中国船级社. 国内航行海船建造规范[M].北京:人民交通出版社,2012.
[4] Nastran M.有限元分析理论基础与应用[M]. 张永昌,译.北京:科学出版社，2004.
2013-08-08
吕厚波(1979-),男, 工程师，主要从事船检工作；冉建华(1983-)，男，助理工程师，从事船体结构设计工作。
U661.43
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