多用途船绞车、锚机基座及支撑船体结构强度计算分析

陈 攀，刘志忠，范明伟

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

多用途船绞车、锚机基座及支撑船体结构强度计算分析

陈 攀，刘志忠，范明伟

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

建立17 600 DWT多用途船艏部绞车、锚机基座及支撑基座船体结构局部有限元模型,依据CCS规范对基座及支撑基座的船体结构进行直接计算及分析，结果表明，在甲板上浪、锚机基座承受45%锚链破断力及挚链器受80%破断力三种工况下基座及支撑结构强度均满足规范要求，但基座肘板与甲板连接处、锚链筒与甲板连接处及基座腹板下方的船体舱壁处应力较大，分析不同肘板自由边过渡形式对连接处应力的影响，提出合理的肘板自由边过渡形式。

锚机基座；船体结构；有限元；肘板

锚泊设备是船舶最为重要的舾装之一，由绞车、锚机、挚链器、锚链，以及承接绞车、锚机的基座等组成。基座是连接设备与船体结构的桥梁，也是保证船舶正常运行的重要结构。锚机工作时承受的载荷极为复杂，不仅有锚链载荷，还需要考虑各向上浪载荷，因此对基座的强度要求较高，基座的强度直接关系到船舶的安全性和可靠性，不少船舶及海洋设施的基座都进行静动力计算及优化设计[1-6]。由于船舶绞车、锚机基座及支撑结构的复杂性，根据规范要求，采用有限元分析软件MSC. PATRAN/NASTRAN，对17 600 DWT多用途船艏部绞车、锚机基座及支撑结构建立局部有限元模型，参照中国船级社相关规范要求[7-9]，对基座及支撑结构的局部强度进行直接计算分析。根据计算结果，对基座肘板形式进行探讨，选择不同肘板自由边与水平夹角的肘板，对比肘板样式对结构应力的影响。

1 有限元模型

依据《国内航行海船建造规定》(以下简称《规范》)3.2.5.2要求[7]，系泊绞车与锚机为整体式时，系泊绞车被认为是锚机的一部分，所以本船需要对绞车、锚机基座进行校核。由于该多用途船有左右对称布置的绞车、锚机基座及掣链器，且支撑结构一致，因此仅建立一舷模型。

1.1 模型范围

纵向：FR196～船艏；横向：船舯～左舷舷侧；垂向：主甲板～艏部平台。结构支撑范围较大，保证受力传递。

1.2 坐标系

模型总体坐标系的原点位于横剖面FR196船舯处。其中：X轴沿船体纵向指向船艏；Y轴沿船宽方向指向左舷；Z轴沿船体垂向向上。

在锚机基座建立局部坐标系，原点位于锚机基座中心，其中：X轴沿锚链载荷方向；Y轴与锚链载荷呈90°；Z轴沿船体垂向向上。局部坐标系主要是为方便载荷施加而建立。

1.3 建模原则

按照多用途船各构件设计尺寸、板厚等，建立结构的三维有限元模型。其中，船体中的甲板、纵横舱壁、肘板、强构件的腹板，以及锚链舱舱壁等采用板壳(shell)单元来模拟，板壳单元大多采用四边形单元，在连接或变化较大处采用少量三角形单元过渡。船体中甲板纵骨、强构件面板、支柱及舱壁扶强材采用梁单元(shell)来模拟。绞车、锚机基座腹、面板及肘板均采用板单元来模拟。

因基座相对于船体而言较小，因此模型中绞车、锚机基座及基座附近的船体结构模型单元尺寸较小，网格较密，逐渐过渡到基座较远处的大单元， 单元边长一般采用50～250 mm。整个模型共有31 074个节点，33 754个单元，有限元模型见图1、2。

图1 局部结构模型

图2 锚机基座模型

1.4 结构材料

本船结构及基座均为普通船用钢材，其材料属性为弹性模量E=206 GPa，泊松比0.3，密度7 850 kg/m3，屈服强度为235 MPa。

2 计算载荷及工况

根据《规范》要求，需要校核甲板上浪和锚链及挚链器破断等4种工况。

2.1 甲板上浪工况及载荷

《规范》3.2.5.1要求校核船舷0.25L以内因上浪而产生设计载荷的工况。该工况包括受向舷内侧力(工况1)和受向舷外侧力(工况2)2种工况。

《规范》3.2.5.3对作用在锚机上的压力(px或py)和计算面积(B与H乘积)进行介绍，见图3。

1)垂直于轴线由船舷向后的方向上，力px为200 kN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py为150 kN乘以f倍该方向的投影面积。f按下式定义

(1)

式中：B——平行于轴线的锚机计算宽度，m；

H——锚机最大高度，m。

图3 锚机受力示意

按照上述方法，各载荷计算结果如下：

锚机：f=1+B/H=1+1.075/1.872=1.574。

绞车：f=1+B/H=1+3.525/1.69=3.086，按式(1)要求f取2.5。

依据规范求得绞车、锚机的上浪载荷，见表1。

表1 绞锚机上浪载荷 kN

加载时，将各种工况计算所得的力分解至各个螺栓分别加载。作用在第i个螺栓组的轴向力Ri按下式计算。

(2)

(3)

(4)

式中：Rx——垂直于轴线的作用力，kN；Ry——平行于轴线的作用力，kN；h——绞车、锚机轴线距安装平面的高度，cm；

xi,yi——第个螺栓组到所有N个螺栓组的中心的x和y方向的坐标，cm，且以作用力的相反方向为正值；

Ai——第i个螺栓组所有螺栓横剖面面积之和，cm2；

Rsi——绞车或锚机重量作用在第个螺栓组上的静反力，kN。

2.2 锚机受锚链45%破断力工况

该锚机带挚链器，按《规范》3.7.2.3要求，对于带挚链器的锚机，取锚链破断负荷的45%作为支撑构件的计算荷载。本船锚链选用CCSAM3级锚链，直径60mm，最小破断力2 770kN。结构所受破断力为F=2 770×45% =1 246.5 kN。载荷全部作用于锚机基座的螺栓组。

根据锚机与挚链器布置图，拉力F作用点距锚机基座平面0.89 m，角度为11°，将拉力F分解为水平分力与垂直分力，根据力矩等效原则，水平分力引起的第个螺栓组的轴向力为：

(5)

第i个螺栓组的轴力为Ri=Rxi-Rsi-Rzi，其中，Rsi，Rzi为

(6)

(7)

2.3 挚链器受80%破断力工况

对于带挚链器的锚机，《规范》还要求校核挚链器受80%破断力工况，受力为锚链最小破断力的80%，破断力作用点是锚链在掣链器滚轮的附着点，方向为该附着点与锚链筒与甲板平面相贯线中心点连线方向，并指向下方，加载形式以MPC来模拟。

3 边界条件及应力标准

依据相关规范，模型的边界约束条件见表2，模型约束见图4。

表2 模型约束条件

图4 模型约束示意

各构件许用应力值见表3，表中ReH为材料屈服强度。

表3 构件许用应力

4 计算结果及分析

各工况结构最大应力及许用应力见表4，应力云图见图5～8。

表4 各工况结构应力 MPa

由表4可见，各工况结构应力值均较大，但满足《规范》要求。工况1与工况2的载荷为甲板上浪，整体基座均受到载荷，最大应力出现在基座四角处的肘板与甲板相接处，见图5～6。

图5 工况一应力云图

图6 工况二应力云图

工况3为锚机基座受45%破断力，在远离锚链筒的锚机基座肘板及甲板相交处应力较大，见图7。

图7 工况三应力云图

分析工况1～3肘板应力较大的原因：在甲板上浪工况时，基座受到X及Y方向的波浪力，波浪力作用于设备上，设备中心距基座有一定高度，因此基座受到X及Y方向的弯矩，最终传递到肘板及甲板连接处，该处肘板应力则较大，且因为受到X及Y向的载荷，在基座4个角中易出现对角应力较大，其他2个对角应力稍小的情况；而工况3则不同，该工况仅有锚机基座承受载荷，且载荷方向至沿X向，因此远离锚链筒的肘板端部承受最大的弯矩，该处应力必然最大。挚链器受80%破断力工况结构应力较大部位位于锚链筒与甲板连接处，挚链器靠近锚链筒，甲板与锚链孔相交处开孔，开孔区域易出现应力集中，见图8，开孔区域设计时赢考虑加强。

图8 工况四应力云图

对于支撑结构而言，甲板下方存在纵、横各类舱壁，舱壁及骨材支撑甲板，基座在受到载荷作用下变形，当基座的变形与支撑结构变形不一致时则会出现应力较大的区域。从计算可知在舱壁与基座腹板、肘板相交处，因基座变形被舱壁限制，该处舱壁应力较大，建议基座腹板下方的舱壁局部区域补强[10]。

5 肘板形式及尺寸对应力的影响

该船基座肘板样式见图9，肘板一边与水平呈66°夹角(见图9a))，因主要工况应力较大区域均出现在肘板与甲板连接处，本节对肘板形式对应力的影响进行探讨，选取其他几种肘板形式(见图9b)～c))，肘板自由边与水平夹角分别为52°及45°，并将计算结果与原始结果进行对比，见表5所示，表中仅列出工况3，即锚机承受45%锚链破断力工况。

图9 基座肘板样式

表5 工况3不同样式肘板结构应力 MPa

由表5可见,不同肘板形式对结构应力的影响极大。选用肘板自由边与水平夹角越小，应力越小，其中当选择夹角为45°时，相当应力降到181 MPa，降低约17%。

以图9c)样式肘板为例，分析板厚对应力分布的影响，设计肘板厚度为18 mm，若将肘板腹板厚度统一改为16及14 mm，结果见表6。

表6 样式c肘板不同腹板、肘板厚度结构应力

由表6可见,在选用肘板形式c)时，即使肘板厚度减为14 mm，结构应力仍然满足规范的要求，且重量减少了22.22%，表明肘板样式选择对基座材料厚度选择有直接影响。

对于甲板机械设备的基座，其设计不仅仅只考虑强度及刚度，还需要考虑设备周围其他设备，综合布置因素给出基座允许的范围。因此在给定的范围内，基座肘板样式的设计显得十分重要。

6 结论

依据中国船级社相应规范，采用直接计算法对17 600 DWT多用途船舷部绞车、锚机基座及支撑结构的局部强度进行计算分析，得到各个工况下的结构最大工作应力值及部位，从分析结果可知，绞车、锚机的基座和挚链器及支撑结构满足相应规范的要求，但设计及计算校核应注意以下问题。

1)在锚机承受45%破断力工况计算中，破断力主要作用于锚机基座，虽然绞车与锚机通过传动轴连为一体，但是该工况下载荷通过传动轴传递到绞车的载荷并不大，因此载荷考虑全部由锚机基座承担，而且这样更偏安全考虑。

2)甲板机械设备基座校核均需要考虑甲板上浪工况，通过计算结果可知在各工况下基座四角处肘板应力最大，在设计时应特别注意。

3)基座肘板形式对结构过渡区域应力影响极大，在布置允许的情况下，应尽量选用自由边夹角大的肘板或圆弧过渡肘板，使得受力较好地传递到支撑结构，不要形成受力硬点。

4)甲板机械设备基座校核时还需校核基座下方的强构件及舱壁，这些结构限制基座变形，局部区域需要加强，必要时需要采用基座与支撑结构的匹配措施。

[1] 张 超,纪 肖,凌 伟.起重机基座支撑结构强度分析[J].船海工程,2014(6):54-59.

[2] 黄志远.大型抓斗式挖泥船起重机基座支撑结构强度及建造要点分析[J].船海工程,2014(4):65-68，72.

[3] 朱孙科,马大为,何 勇.基于动力学仿真的舰炮基座结构拓扑优化设计[J].系统仿真学报,2009,20:6650-6652，6657.

[4] 潘良高,许权智.锚绞机焊接基座的载荷计算与结构分析[J].机电设备,2014(1):62-65.

[5] 何 强,马大为,乐贵高发，等.基于iSIGHT的某型多管火箭炮基座的轻量化设计[J].火力与指挥控制,2014(10):113-116.

[6] 林国问,马大为,朱孙科.车载多管火箭炮发射系统基座的轻量化[J].弹道学报,2012(2):101-105.

[7] 中国船级社.国内航行海船建造范[S].北京:人民交通出版社,2012.

[8] 中国船级社.船体结构强度直接计算指南[S].北京:人民交通出版社,2009.

[9] 中国船级社.钢质海船入级规范修改通报2011[S].北京:人民交通出版社,2011.

[10] 李 铭,张 政,龚君来.基座变形与船体壳板的匹配性分析[J].舰船科学技术,2011(8):73-76.

Structural Strength FE Calculation of Winch Foundation,Windlass Foundation and Support Structures

CHEN Pan, LIU Zhi-zhong, FAN Ming-wei

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

The local FE model of winch foundation, windlass foundation and supporting structure of the 17 600 DWT multi-purpose ship is established to assess the local strength in terms of CCS rules. The results show that the stresses of winch foundation, windlass foundation and support structures satisfy the requirements of CCS rules, but the brackets of foundation and connecting parts of hawse pipe and deck are large. Different transitional forms of bracket are simulated to study the influence upon stress distribution of the connecting part and present the best transitional form.

windlass foundation; support structure; FEM; bracket

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.004

2015-07-10

交通运输部交通建设科技项目(20113282221590)

陈 攀(1989-)，男，硕士,助理工程师

U663.6

A

1671-7953(2015)06-0013-05

修回日期：2015-09-07

研究方向:船舶结构振动

E-mail: panda3267@126.com