油船锚机船体支撑结构强度数值计算分析*

2018-07-11郭哲璐董明海洪波杰傅引峥

机械研究与应用 2018年3期

郭哲璐，张　华，董明海，洪波杰，傅引峥

(1.浙江国际海运职业技术学院，浙江舟山　316021；2.舟山万达船舶设计有限公司，浙江舟山　316021)

0　引　言

锚机一般位于艏楼甲板上，是现代船舶非常重要的舾装设备之一[1]。当船舶处于锚泊状态时，锚机会受到锚链传递的极大拉力；当船舶处于航行状态时，考虑到风浪等特殊环境的影响，锚机有可能会受到海浪的冲击[2]；同时，锚机和甲板之间靠螺栓和楔块连接，当锚机受力时，螺栓和楔块也会承受较大的轴向或剪切应力。因此，出于安全性考虑，对于锚机支撑结构和连接螺栓楔块的应力情况进行计算很有必要。

对于螺栓和楔块的应力计算理论已经非常成熟，可根据静力学原理直接计算[3-4]。而对于锚机支撑结构强度的计算，由于锚机结构的复杂性，用理论计算法将非常困难[5]。因此，目前船厂和设计单位普遍采用的是更为简便、高效的有限元法对锚机支撑结构进行计算和校核，而这一方法也已经被各大船级社所认可[6-7]。

本船为13800DWT油船，采用Φ52(AM3)液压单侧式锚机(双卷筒)。根据《钢质海船入级规范》(2015)中对船首甲板锚机强度要求，运用理论计算法对螺栓及楔块应力进行计算校核，然后运用有限元方法对锚机支撑结构强度进行直接计算和分析。

1　有限元模型及参数

1.1　有限元模型

采用有限元软件MSC.patran建立锚机支撑结构模型，模型范围选取纵向从#156到船艏，横向采用全宽模式建模，垂向包括首楼甲板室结构及锚机底座。坐标系设置如下：沿船体中纵剖面水平指向船首为X轴正向，沿船体中站面水平指向左舷一侧为Y轴正向，沿中站面从艏楼甲板垂直向上为Z轴正向[8]。模型采用板单元和梁单元模拟，如图1所示。

边界条件做如下设置：端部及模型下沿限制其3个平动自由度，转动自由度不做限制。

该支撑结构的材料采用“CCS-A”级钢，具体的材料属性及参数如表1所示。另外：建模计算时所有的板和构件均取建造厚度。

图1　锚机支撑结构有限元模型

表1　材料参数

1.2　载荷工况计算

当船舶处在锚泊状态时，锚机会受到很大的锚链拉力；而当船舶处在航行状态时，考虑到甲板上浪等恶劣环境，锚机会受到海浪的冲击。因此工况设置必须分别计算锚链破断强度载荷和甲板上浪载荷。

(1) 45%锚链破断载荷(LC1工况)

本船采用AM3-52型锚链，其破断强度为2 110 kN，根据《规范》要求，当校核螺栓力时，取45%的破断力，即：

P=2110 kN×45%=949.5 kN，将其分解为：

Px=-P×45%×cosα= -908.01 (kN)

Fz=Wg+P×sinα= -331.56 (kN)

其中：α为锚链与水平面夹角，取17°，锚机重量W=5.5 t，重力加速度g=9.81 kN/kg。

(2) 甲板上浪载荷(LC2、LC3工况)

在船舶航行过程中，锚机收到的上浪载荷可分为舷外侧上浪(LC2工况)和舷内侧上浪(LC3工况)，须分别计算校核，上浪载荷以压力形式作用在锚机上如图2。

图2　锚机受力示意图

可分解成沿锚机中心线方向分力Px和垂直中心线分力Py，具体可按下述方法进行计算：

Px=200 MPa×Ax=1 200 (kN)

Py=150 MPa×f×Ay=1 151.25 (kN)

式中：锚机轴线方向投影面积：Ax=6.00 m2，垂直锚机轴线方向投影面积：Ay=3.07 m2。平行于轴线的锚机计算宽度B=3.70 m，锚机最大高度H=1.62 m代入式(1)得：f=3.28>2.5，取2.5。

f=1+B/H

(1)

综上所述，锚机在三种工况下所受载荷如表2。

表2　载荷工况汇总

2　锚机螺栓布置参数计算

锚机和艏楼甲板之间靠螺栓连接，因此锚机所受的载荷都会直接传递到螺栓上，螺栓受到轴向力和剪力的作用，当受力过大超过许用极限时，螺栓会发生断裂而失效，因此在须对螺栓进行应力计算。

图3　公共底座螺栓分布图

本船锚机公共底座上共布置有30个螺栓，如图3所示。第i个螺栓的所受轴向力可通过式(2)～(5)计算：

Rxi=(Px×h×xi×Ai)/Ix

(2)

Ryi=(Py×h×yi×Ai)/Iy

(3)

Rsi=W/N

(4)

Ri=Rxi+Ryi-Rsi

(5)

式中：Px、Py分别为X方向和Y方向计算作用力；h为锚机轴线离安装平面的高度为0.90 m；xi、yi为第i个螺栓到所有N个螺栓中心的坐标；Ai为螺栓所有螺栓横剖面面积之和；Rsi为由锚机自重产生的在第i个螺栓上的反作用力；Ix、Iy分别为对Y轴和X轴的惯性矩，可按式(6)～(7)计算：

(6)

(7)

对第i个螺栓的剪切力Fxi，Fyi以及合力Fi可通过式(8)～(10)计算：

Fxi=(Px-μWg)/N

(8)

Fyi=(Py±μWg)/N

(9)

(Py≥0时取“-”，Py<0时取“+”)

(10)

式中：摩擦系数μ=0.5；螺栓数量N=30。

为了求出锚机所受载荷的等效作用点，根据图纸中螺栓布置的尺寸参数，可按式(11)～(13)计算，经过计算得到锚机螺栓布置的中心坐标(X0，Y0，Z0)=(-2 035.93 mm，-819.67 mm，900 mm)。

(11)

(12)

Z0=h

(13)

3　螺栓及楔块应力计算校核

3.1　螺栓轴向应力计算校核

通过计算得到螺栓轴向应力值如表3所示。

表3　螺栓轴向力计算结果

其中数值正数代表螺栓受轴向拉力，负数代表螺栓受轴向压力。由计算结果可知：螺栓组中最大轴向拉伸力发生在LC2工况16号螺栓，F=98.69 kN。该连接螺栓型号为M36，性能等级8.8，经查《机械设计手册》，其截面积A=10.18 cm2许用应力[δ]=640/2=320 MPa，许用剪切应力[τ]=0.38[δ]=121.6 MPa，则该螺栓最大轴向拉伸应力为：δ=F/A=96.9 MPa<320 MPa，故满足规范衡准要求。