锚机支撑结构强度的有限元分析

朱显玲 张远双 刘建全

(武汉船舶职业技术学院，湖北武汉 430050)



锚机支撑结构强度的有限元分析

朱显玲 张远双 刘建全

(武汉船舶职业技术学院，湖北武汉 430050)

以某船的锚机支撑结构为例，采用规范公式计算出每个螺栓受力，直接施加在三维有限元模型的每个螺栓节点上计算锚机支撑结构的强度，以评估其受力是否满足设计要求。

锚机支撑结构；有限元；强度

每条船在营运过程中，经常要进行系泊作业，使用锚泊设备。锚泊设备的支撑结构通过锚链要承受较大载荷。根据中国船级社《规范》[1～2]要求，船首甲板锚机固定的强度应通过有限元计算对其进行校核。

1 计算模型

在支撑结构和基座的强度校核[3]中，为较好地描述区域中结构部件在各个方向上的受力分布情况，应尽可能采用三维有限元模型进行分析，分析基于线弹性理论，模型中的构件取建造厚度。根据《规范》规定模型范围选取的原则如下：

采用局部立体结构模型，以基座有效作用平面矩形a×b型心为中心，向四周分别扩展至少1倍的该矩形相对应的长宽距离，即模型的范围至少为3a×3b。垂向从基座面扩展至甲板之下的第一个平台甲板或至少D/4(D为型深)。其边界应落在结构主要的支撑结构上。

锚机座一般都是布置在首楼甲板上的，对于对称的结构，在模型中取模型范围一般从尾端甲板强横梁或横舱壁至首端甲板强横梁或横舱壁约3a×3b的范围，从中部甲板纵桁或舱壁至舷侧外板。

一般来说，首楼甲板是有梁拱的，但为了简化计算，模型中不考虑梁拱的。此外，首楼甲板与主甲板之间的舷侧外板是有线形的，但在计算中一般采取简化的方法，不考虑线形，认为舷侧外板是垂直首楼甲板平面的，或者直接将首楼甲板舷侧节点约束取代舷侧外板。

在模型建立中，底座结构、甲板板、舱壁板及甲板纵桁强横梁腹板用板壳单元离散；甲板纵桁及甲板强横梁面板、甲板横梁、舱壁扶强材用梁单元离散。

边界条件：1)艏楼甲板舷侧处取为自由支持；2)甲板下舱壁在主甲板处取自由支持。

2 计算载荷

锚机设备一般会遇到作业载荷与上浪载荷，评估强度时应独立施加作业载荷与上浪载荷一般考虑三个工况：作业工况(工况一)，左舷上浪(工况二)与右舷上浪(工况三)。

本船锚链直径为AM2φ40，破断负荷为896 kN，锚链与水平面夹角β=17°。锚机基座螺栓布置见图1。

锚机设计工作载荷：

P=896×45%=403.2 kN

Px0= P×cosβ= 385.58 kN

Py0= 0

Pz0= P×sinβ= -117.88 kN

另锚机重W=49.05 kN，作用在每个螺栓上

Wz= -49.05/18=-2.725 kN

图1 锚机基座螺栓编号图

2.1 轴向力R

考虑每个螺栓的受力为：

Rzi=-(Rxi+Ryi-Rsi) kN

其中：

h——锚机轴线离安装平面的高度，72cm；

xi，yi——第i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；

Ai——螺栓组所有螺栓横剖面面积之和，84.78 cm2；

Ix=∑Aixi2cm4；

Iy=∑Aiyi2cm4；

Rsi——由锚机重量作用在第i个螺栓组上的静反力，kN，按下式计算：

Rsi=(W+Pz0)/N=(49.05+117.88)/18=9.274 kN

2.2 剪切力F

其中：

a——摩擦系数，0.5；

W——锚机重量，5.0t；

g——重力加速度，9.81m/s2；

N——螺栓组数量，18；

对于作业工况(工况一)，各螺栓节点的剪切力如下：

对于甲板左舷上浪(工况二)：锚机由船首向后的投影面积为2.12m2，锚机平行于轴线的投影面积为1.78m2。Px、Py按《规范》公式计算，如下：

Px=2.12×200=424kN

Py=2.5×150×1.78=667.5 kN

代入上述公式计算得各螺栓节点的剪切力，如下：

对于甲板右舷上浪(工况三)，与左舷上浪(工况二)类似，此处不再赘述。

3 计算结果及分析

以左舷甲板上浪工况为例，各螺栓节点轴向力计算结果见表1。一般说来，螺栓的布置并非规则，螺栓组的中心通过画图很难确定，可以通过螺栓对某一点的相对坐标求出中心点对此点的相对坐标，从而得到每个螺栓点到中心的距离，可以通过∑xi=0，∑yi=0验证。从表1可以看出∑Rxi=0，∑Ryi=0，∑Rzi=49.05 kN。这与规范的公式是相符的。

计算出每个螺栓节点的轴向力后，逐个地将其施加到有限元模型的节点上进行计算，计算结果应力云图见图2和图3。

表1 螺栓节点轴向力计算(表中的xyz的方向为锚机基座的局部坐标方向)

图2 中面相当应力云图

图3 中面剪切应力云图

4 结 语

实际进行锚机支撑结构的强度计算时，首先需要计算出每个螺栓节点的轴向力，然后逐个地将载荷施加到每个螺栓节点上，最后对有限元应力结果评估其是否满足《规范》要求。

对于本文研究的某锚机支撑结构，有限元计算所得的中面应力相当应力最大绝对值为82.776MPa，剪切应力最大绝对值为39.697MPa，最大相当应力与最大剪应力均出现在锚机座面板上，满足《规范》要求。

1 中国船级社. 钢质海船入级规范[M].人民交通出版社，2006

2 中国船级社. 钢质海船入级规范修改通报[M].人民交通出版社，2007

(责任编辑：谭银元)

FEM Strength Evaluation of Windlass Supporting Structure

ZHU Xian-ling,ZHANG Yuan-shuang,LIU Jian-quan

(Wuhan Institute Of Shipbuilding Technology, Wuhan 430050,China)

Taking certain windlass supporting structure for the example, this essay calculates each bolt forces according to RULE equations then applies them into corresponding bolt nodes in 3D finite element model, lastly evaluate strength of the supporting structure.

windlass supporting structure；FEM；strength

2015-01-25

朱显玲，女，高级工程师，主要从事船舶设计和制造方面的教学和研究工作。

U664.4

A

1671-8100(2015)03-0013-04