7800吨化学品船锚机基座及下加强结构强度分析

顾俊 王连成 张思航 张玉奎

一、引言

锚机是船舶锚泊系统的重要组成部分，锚机在船舶抛锚和起锚的时候承受着巨大拉力，在首部的锚机还承受着甲板上浪载荷的作用，如果锚机基座设计不当，会造成船舶锚泊系统损伤，可能引发重大的海损事故，因此，目前锚机基座的有限元校核在规范中已经明确要求了。锚机主要由基座、支架、锚链轮、刹车、链轮、变速箱和电控系等组成，其中锚机基座是连接船体结构和锚机本体的纽带，锚机基座及其下加强的强度直接影响着锚机的安全工作。

二、锚机基座主要结构形式

根据锚机设备资料进行锚机基座及下加强的图纸设计，锚机基座下加强结构图如图1所示，本船锚机基座部分设计图如图2所示。

三、有限元模型

本文分析采用的软件为通用有限元计算分析软件MSC.Patran，求解器为MSC.Nastran。有限元模型中单元的大小、雅克比、细长比、网格尺寸、骨材是否需要偏心、大的骨材是否需要板单元模拟、载荷施加方法、工況、应力衡准选择以及计算结果提取等内容均参照CCS规范。本文模型根据结构图纸，选取锚机基座下加强结构作为研究对象。由于锚机布置及下加强结构关于中纵剖面对称，所以选取右舷锚机进行加载分析。模型纵向范围为FR152-PR170，横向范围为整个船宽，垂向范围为上甲板至首楼甲板。有限元模型包括了基座下的所有结构构件，锚机基座、上甲板、舱壁板以和横梁、纵骨和纵桁以及强横梁的腹板采用壳体单元模拟。根据CCS规范，校核锚机基座及其下加强结构和挚链器下加强结构时采用建造尺寸模拟，有限元模型如图3所示。

1、网格划分

本模型主要采用1D-Beam单元、2D-Shell单元。网格单元大小为200mm。200mm左右，高应力区域的网格适当细化。甲板板、主要支撑构件（纵桁和强横梁）的腹板以及基座板用Shell单元模拟;主要支撑构件面板和局部00强筋用梁单元（Beam）模拟。

2、建立模型坐标系

模型的坐标系按照规范规定的直角坐标系结构，采用右手笛卡尔直角坐标系结构。坐标原点定在0号肋位（0号肋位是尾垂线与基线的交点），X轴的正向为沿船长方向并且指向首部。Y轴的正向为沿船宽方向并且指向左舷。Z轴的正向为垂直向上。

四、载荷工况

按照CCS规范中对锚机基座及其下的船体结构强度校核建议要求，计算载荷包括两种晴况，设计载荷分为甲板上浪载荷和45%的锚机锚链的破断载荷以及作用于挚链器的80%的锚链破断载荷。

1、甲板上浪载荷

如图4所示，上浪载荷认为直接作用在垂直于锚设备中心线，压力的作用面积为锚机在垂直于锚设备中心线上的侧投影面积。

（1）垂直于锚机轴线由船首向后方向，力P_x为200kN/m²乘以该方向的投影面积。

作用于第i个螺栓组的剪切力F_xi，F_yi和合成F_i力可按下式计算：

根据螺栓布置图，假设单个螺栓有效横剖面面积为A_i得到螺栓强度计算的所需参数，如表1所示。表中，X_iY_i为第i组螺栓组中心在全局坐标系中的坐标，X_iY_i为第i组螺栓组中心在局部坐标系中的坐标，n_i为第i组螺栓组的螺栓个数。

螺栓组中心在全局坐标系中的坐标为：

当P_Y为舷外方向时（P_Y方向由左舷舷指向右舷），各螺栓组所受的轴向力及水平剪切力如表2所示。当P_y为舷内方向时（P_y方向由右舷指向左舷），各螺栓组所受的轴向力及水平剪切力如表3所示。各螺栓组载荷施加于相应螺栓组的中心。

2、45%锚链破断载荷

根据设备数据，锚链的破断强度为181t，校核螺栓力时，取45%的锚链破断力，即1775.61kN，交角为19°，将其分解成水平力755.49kN，垂向力260.14kN，按照类似计算方法，可得到各螺栓组的轴向力和剪切力，如表4所示。各螺栓组载荷施加于相应螺栓组的中心。

3、挚链器80%锚链破断载荷

据设备数据，锚链的破断强度为181t，校核止链器时，取80%的锚链破断力，即1420.49kN，垂向交角为28°，水平交角为25°，将其分解成x向水平力604.40kN，y向水平力281.84kN，z向垂向力1254.22kN，通过MPC方式加载，如图6所示。

五、边界条件及应力衡准

该模型的边界条件为四周刚固，约束X、Y、Z方向的位移和转动。

根据CCS船级社规范（2018）的要求，各种工况下，支撑结构和基座板元的许用相当应力不大于材料的屈服极限。在该锚机基座及止链器加强结构中，除应力集中处，全部使用普通钢，屈服极限为235 N/mm²。应力集中处部分采用AH32钢，屈服极限为315N/mm²。

六、计算结果

计算所得各工况下基座加强结构的合成应力分布如图7-图13所示，图中应力单位为N/mm²。图中显示的均为单元的中面应力。计算所得各工况下最大合成应力与许用合成应力的比较如表5所示，除应力集中采用AH32钢外，锚机基座及止链器加强计算所得最大合成应力为166.0N/mm²，小于规范许用值，所以该锚机基座及掣链器加强结构的强度满足规范的要求。

七、结论

对锚机基座进行了有限元分析强度审查，依据CCS关于锚机基座强度计算部分的条文进行了有限元强度分析，得到了3种工况下的最大合成应力，并于许用值进行比较。有限元强度分析计算结果表明，锚机的基座、挚链器及支撑结构满足CCS的要求。对比不同的工况，挚链器受80%锚涟破断强度的这个工況对挚链器下加强结构的应力最大，部分单元超过了普通钢的屈服限，需要采用AH32钢才能满足要求，设计时要特别当心。另外2种工况甲板上浪和45%锚链破断强度下的结构应力小于普通钢的屈服衡准。文中有限元模型建立、校核工况和应力衡準等分析方法和计算过程为相同大小或类似大小的锚机基座有限元强度校核提供了分析帮助，给设计者提供一些参考依据。