定位锚机卷筒有限元分析应用与实践

葛杨元，马云骄

（南通力威机械有限公司，江苏 南通 226500）

0 引 言

卷筒是海上定位锚机的核心部件，其可靠性和使用寿命对保证锚机长期稳定工作起着至关重要的作用。目前大型薄壁卷筒主要依靠经验公式设计，设计完成之后再进行强度、刚度和稳定性校核。这种设计方法的优点是简便实用，设计出的产品安全可靠。但是，从锚机的工程实践中可以看出，卷筒强度余量偏大使得制造成本偏高，影响经济效益低。

目前国内外还没有成熟的薄壁卷筒强度设计理论和方法能代替传统设计方法。本文根据定位锚机卷筒结构设计的特点，利用有限元分析软件ANSYS对传统设计提出改进意见，以期提高设计精度。

1 大型薄壁焊接卷筒的受力和变形特点

在研究薄壁焊接卷筒的强度问题时，首先应考虑应力沿壁厚方向是如何分布的。卷筒在壁厚方向上主要承受3个应力，即：因传递扭矩而产生的扭转应力、钢丝绳拉力造成的弯曲应力和钢丝绳卷绕在卷筒上对卷筒外壁的压应力。

卷筒所受的扭转应力较小，对强度的影响可忽略不计。本文研究的卷筒长度较短，故弯曲应力对强度的影响也不予考虑。对卷筒壁厚强度影响最大的是钢丝绳卷绕时对卷筒外壁的压应力，会使卷筒发生压缩和弯曲变形[1]。

然而，卷筒在实际工况下并不是只受1圈钢丝绳拉力的作用，而是受到多圈等距离排列的钢丝绳拉力的作用。若卷绕在薄壁卷筒上的所有钢丝绳都保持初始卷绕时的拉力，则当薄壁卷筒上布满等距离卷绕的钢丝绳时，弯曲应力引发的变形会消失。此时卷筒外壁表面上的每个点都受径向压缩载荷的作用，即只受到均匀的外压作用（见图1）[2]。

图1 薄壁卷筒的外压

为计算钢丝绳上的拉力F在卷筒壁内引起的应力，首先计算出拉力F在薄壁卷筒表面单位面积上引起的压应力P。

式(1)中：D为薄壁卷筒直径，mm；b为卷筒绳槽间距，mm；P为卷筒单位面积上所受的压力，MPa。

卷绕在薄壁卷筒上的钢丝绳的拉力是逐圈递减的，钢丝绳与薄壁卷筒绳槽间的摩擦会妨碍各圈钢丝绳之间拉力的平衡。考虑到该因素，薄壁卷筒外压的计算式[3]可表示为

式(2)中：D为薄壁卷筒直径，mm；b为卷筒绳槽间距，mm；P为卷筒单位面积所受压力，MPa。

2 卷筒有限元模型建立及计算分析

为准确反映卷筒各部分的实际应力分布，首先在CAD软件中按照卷筒的实际尺寸建立卷筒的三维模型，并将其导入到ANSYS软件中进行必要的几何前处理；随后进行网格划分[4]，赋予相应的材料属性，根据实际的受力情况添加对应的载荷和约束条件；最后在ANSYS软件中进行求解，对所得结果进行分析。

2.1 卷筒模型简化

为节省计算机资源，在不影响求解精度的前提下，利用一些几何前处理工具对卷筒三维模型进行简化。可删除、压缩一些对计算结果影响较小的特征，保留反映卷筒实际结构和力学特性的结构。

定位锚机卷筒三维模型见图2，其主要参数见表1。

图2 定位锚机卷筒三维模型

表1 定位锚机卷筒主要参数

卷筒的筒身通过锻造加工而成，筋板为现有板材，各部件之间通过焊接连成一体。卷筒壁厚（绳槽底部至筒体内径的厚度）为 105mm，远小于卷筒宽度 2095mm，可视作薄壁结构。因此，在建立有限元模型时做以下假设[5]：

1) 卷筒是封闭的薄壁圆柱壳，材料各向同性且均匀分布；

2) 钢丝绳对卷筒的压力均匀分布在钢丝绳与卷筒的接触宽度上。

2.2 边界条件处理

上述卷筒结构左右两端通过卷筒轴支承在滚动轴承座上。由于钢丝绳卷绕在卷筒上时与左右两端各有一段距离，且在实际工况下左右两端变形很小，故可将卷筒两端作为边界条件，添加约束，对右端进行固定约束，允许左端有轴向位移，约束另2个方向的自由度。

2.3 载荷施加

根据卷筒的实际受力情况，其受到钢丝绳的作用力主要有以下3个：

1) 将钢丝绳卷绕在卷筒外壁来带动卷筒旋转，由此对卷筒中心产生扭矩作用；

2) 将卷筒简化成简支梁，作用在钢丝绳上的拉力会对卷筒产生弯矩；

3) 将钢丝绳卷绕时对卷筒外壁的压紧作用等效为一个均匀分布的压力。

本文的分析忽略前2种载荷，只对卷筒施加一个均匀分布的压力载荷，加载情况见图3。

2.4 卷筒有限元计算

2.4.1 带绳槽卷筒筒壳的有限元计算

1) 材料设置与网格划分。算例中的卷筒主要由Q345D钢材锻造而成，在ANSYS软件中新建名为steel的新材料，弹性模量设为2.06×105MPa，泊松比设为0.28，密度设为7850kg/m3。单元类型选用SOLID185实体单元。首先采用默认的网格进行试算，然后在应力较大的部位对网格进行细化，这样既可满足精度要求，又不会占用过多的计算机资源，有利于节省计算时间。卷筒网格划分见图4。

图3 载荷施加

图4 卷筒网格划分

2) 加载及求解。绳槽卷筒变形图和应力分布图分别见图5和图6。

图5 绳槽卷筒变形图

图6 绳槽卷筒应力分布图

2.4.2 计算分析

1) 传统理论分析。本文研究的绳槽卷筒的钢丝绳的最大拉力为2500kN，卷筒薄壁所受均布压缩应力为P= 0 .5 ·Fmax/(δall·b) = 9 0.6 MPa ，小于卷筒的许用应力[σp] （[σp] =σF/1.5 = 190 MPa ）。

2) 有限元计算分析。由图5和图6可知，最大变形出现在卷筒边缘处（为0.16294mm），最大应力位于法兰筋板处（为77.046MPa），均小于规定的许用值。

3) 仿真对比分析。为对比传统设计与有限元指导下的改进设计的差异，首先在Solid Works中修改模型的尺寸，将法兰连接筋板的厚度减小2mm，将卷筒壁厚减小 2mm；随后将修改后的模型导入到ANSYS软件中，材料设置、边界条件和加载情况都与之前相同；最后得到计算结果见图7。最大应力值为115.51MPa，仍小于材料的许用值190MPa。

图7 改进设计分析结果

3 结 语

由上述计算分析可知，传统的薄壁卷筒壁厚设计和强度校核理论过于保守，存在较大的强度余量，未充分考虑绳槽、卷筒长度及两端覆板的影响，没有充分利用材料。通过有限元分析，在保证安全、可靠的基础上，可适当减小卷筒的壁厚，不仅方便加工和焊接，而且可满足轻量化设计要求，降低制造成本。