锚机支撑结构局部强度两种直接计算方法对比

王 佚,张少雄,张 华

(1.武汉理工大学 交通学院，武汉 430063;2.中国船级社 上海审图中心，上海 200135)

锚机支撑结构局部强度两种直接计算方法对比

王 佚1,张少雄1,张 华2

(1.武汉理工大学 交通学院，武汉 430063;2.中国船级社 上海审图中心，上海 200135)

采用两种加载方式对某浮吊锚机基座及相关船体结构的局部强度进行直接计算，并对比分析两种方法所得的应力结果，结果表明，两种方法是应力结果差别较大，在应力水平较低时两种方法都可以用来计算校核基座及其支撑结构的局部强度；当应力水平接近许用应力时，建议采用MPC加载方式计算评估。

锚机；局部强度；有限元；直接计算

随着船舶吨位不断增大，锚系泊力越来越大。虽然有掣链器在抛锚时控制锚链的运动，承受锚链的拉力，但锚机因其自重大，振动强，且与支撑结构依靠螺栓连接，其下支撑结构的局部强度仍是船舶结构安全性计算中需要重点校核的部位。

对锚机支撑结构局部强度的评估一般采用有限元直接计算的方法。评估时采用局部细化模型，以得到更为精确的应力值与应力分布情况。现行的加载方式有两种，第一种为利用MPC模拟锚机的尺寸，在独立点上施加锚链作用力，模拟出锚机所受的载荷[1]；第二种是当该局部强度需要考虑上浪载荷时，替代第一种加载方式的简化方式。具体做法为将锚链作用力当做沿船长方向的上浪载荷，按规范计算破断力作用下每个螺栓的受力，再分别加载[2-9]。两种方法在工程中被频繁使用。但未见关于两种方法的使用条件及其结果差异的分析报道。

为此，以某浮吊锚机设备为对象，运用通用有限元计算软件MSC.Patran/Nastran对其基座下支撑结构的局部强度进行校核，从应力计算结果比较两种加载方法的区别。

1 船舶基本情况及结构模型

某非自航扒杆式起重船，为单底、单甲板纵骨架式箱型结构。左右舷各2道贯通纵舱壁，全长范围内共6道水密横舱壁。全船范围内在Fr4，距船中纵剖面9 600 mm处，左右两舷各设一个带挚链器的锚机。锚机通过螺栓固定在高出甲板600 mm的基座上，基座由数个沿船长及 船宽方向的肘板支撑。挚链器焊接在甲板上，甲板下方设置了纵横各2道加强肘板。

1.1 模型范围及建立

参照《钢质海船入籍规范》(2012)(以下简称《规范》)[5]第3章第7节3.7.2.6中的规定，锚机底座及挚链器下加强结构的局部强度计算模型范围和网格大小按照以下标准选取：采用局部立体结构模型(以下简称“局部模型”)，以基座有效作用平面矩形(a×b)形心为中心，向四周分别扩展至少一倍的该矩形相对应的长、宽距离(3a×3b)。垂向从基座面扩展至甲板之下的第一个甲板平台或至少D/4处(D为型深)。

本船锚机基座有效平面矩形尺寸为4 606 mm×5 345 mm，模型选取范围为包括挚链器及锚链筒的平面区域，尺寸为20 m×16 m，且锚机基座位于模型中心。本船型深D=9.0 m，模型垂向范围为基座面向下3 600 mm(距基线6 000 mm)的水平桁所在平面。故模型范围选取满足规范要求。

模型具体范围及包含内容为：沿船纵向从Fr0到Fr8，沿船宽方向从船中剖面至左距中纵剖面16 000 mm舱壁，沿垂向自距基平面6 000 mm高度以上。有限元模型包括了上述范围内的主甲板、基座、基座下加强结构、强横梁、纵桁、纵骨、锚链筒、锚链舱舱壁、纵横舱壁、舱壁扶强材、锚链舱强框架、外板、舷侧纵骨、强肋骨及肘板等构件。

1.2 单元网格

基座细化区域内的有限元模型中的甲板板，纵横舱壁板，外板，强横梁、纵桁、纵骨、强肋骨、扶强材、肘板等构件的腹板大部分采用四边形板单元，主要构件面板超过宽350 mm的部分亦采用四边形单元，单元边长约为125 mm×125 mm，主要构件上的四边形单元边长比不超过1∶2，采用少量三角形板单元进行过渡；其余构件如宽度小于350 mm的桁材面板，舱壁扶强材、甲板纵骨、外板纵骨、肘板的面板等均采用梁单元模拟。

1.3 边界条件

选取的子模型范围远远大于锚机基座所在范围，通过所有断面处的节点施加简支边界条件。

锚机基座模型的边界条件取法如下。

1)甲板断面处，约束x,y,z方向上的线位移与z轴的角位移；

2)艉封板以及纵横舱壁选择在模型的底部(BL6 000 mm)剖面固支。

1.4 材料属性

船体钢材的材料参数如下。

杨氏模量E=2.06×105 N/mm2；

泊松比μ=0.3；

密度ρ=7.85×10-9t/mm2。

2 计算载荷

本船锚机带掣链器，根据《规范》第2章第3节3.7.2.3，校核破断负荷的45%工况下锚机底座的强度。该锚链的破断力为3 500 kN，45%工况下破断力为1 575 kN。

根据“航行锚布置图”，锚机与挚链器相连的锚链与甲板的夹角为15°，锚机伸入锚链筒的锚链方向垂直向下。锚机的破断力方向为沿锚链方向。挚链器的破断力方向经过挚链器闸刀沿锚链筒方向指向船尾。

如图1所示，在“航行锚布置图”中，标明了锚机、挚链器、锚链筒的位置和角度以及锚链的走向。

图1 锚机上锚链走向示意

此外，锚机自重10 580 kg，基座及相关结构的自重用惯性力(g=9.81 m/s2)施加。各螺栓相对锚机的位置见图2。

图2 锚机螺栓组位置示意

2.1 采用MPC加载

在模型中，锚链对锚机的破断载荷采用多点约束(MPC)，以集中力的方式加载，出于偏危险的考虑，锚机的载荷作用点，即独立点位置，定为锚机锚链轮中分线与锚链轮轴中心线交点处，锚机滚轮的最高点。关联点为绞车与绞车基座螺栓固定点，相关6个自由度。

计算载荷根据绳索方向，通过建立局部坐标系的方式施加。独立点节点号为197 854，坐标为(9 900,9 600,11 110)。

考虑垂直向下指向锚链舱舱口的锚链破断力、锚机与挚链器相连的锚链与甲板的夹角为15°的锚链破断力，以及锚机自重。锚机所受载荷及载荷名称见表1，各载荷及合力见图3。

表1 锚机MPC独立点处施加载荷 N

图3 MPC加载方式锚机载荷示意

通过Patran，输出采用MPC加载时，各螺栓组受力见表3。

2.2 将锚链受力当做沿船长方向的上浪载荷

根据《规范》第3章第3节3.2.5.3(1)中的叙述，作用在船首甲板锚机上的压力Px为垂直于轴线由船艏首向后方向，即掣链器指向锚机。故锚链破断力工况下，Px=-1 521.34 kN(-3 500 kN×45%×cos15°)，Py=0。

根据《规范》第三章第3节，第i个螺栓组的轴向Ri按下式计算。

(1)

式中：Px——垂直于轴线的作用力，kN，此处Px=1 521.34 kN;

Py——平行于轴线的作用力，kN,此处Py=0;

h——锚机轴线离安装平面的高度，cm；此处h=108 cm;

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

Ai——第i螺栓组所有的螺栓横剖面面积之和，cm2；

表3 采用MPC加载时螺栓受力 kN

Rsi——由锚机重量作用在第i个螺栓组上的静反力，kN。

作用在第i个螺栓组上的剪切力Fxi、Fyi，以及合成力Fi可按下式计算：

(2)

式中：α——摩擦系数，取α=0.5；W——锚机重量，t，此处W=10.58 t；g——重力加速度，取g=9.81 m/s2；N——螺栓组数量，此处N=29。

其中，Ri为正时为拉力；Fxi为正时沿掣链器指向锚机；Fyi为正时沿右舷指向左舷。轴向力Ri计算结果见表4,Fxi=-54.25、Fyi=0。

表4 破断力工况下螺栓轴向力和水平剪切力 kN

2.3 载荷对比

对比表3与表4，显然，两种加载方法中，加到螺栓组上的载荷只有力，没有弯矩。采用第二种加载方法，即将锚链受力当做沿船长方向的上浪载荷时，是将锚链破断力平均分配到了每一个螺栓组上。与此同时，每个螺栓均没有受到y方向上的力，说明这种加载方法并没有考虑因锚机自身结构，螺栓组所受即沿船宽方向的内力。

3 应力结果及对比

3.1 采用MPC加载

采用MPC加载时，各个构件的最大相当应力见表5，应力见图4。

图4 MPC方式加载时锚机应力云图

3.2 将锚链受力当做沿船长方向的上浪载荷

采用MPC加载时，各个构件的最大相当应力见表6，应力见图5。

表5 采用MPC加载

注：“——”表示该构件在计算区域内面积较小，观察主要应力范围无意义。

3.3 应力结果对比

虽然用两种方法计算出的结果都满足规范要求，但用MPC加载算出的最大应力(89.8 MPa)远大于将破断力按上浪载荷施加的最大应力(48.1 MPa)，该应力出现在锚链舱。且对于甲板和橫舱壁，通过MPC加载计算出的应力也较大。与此同时，按上浪载荷算法计算出的纵舱壁、纵骨等纵向构件的应力水平更高。

表6 采用MPC加载

注：“——”表示该构件在考察区域内面积较小，观察主要应力范围无意义。

图5 将锚链受力当做沿船长方向的 上浪载荷时锚机应力云图

然而，重点考察构件，如锚机底座、锚机底座面板的应力水平，两种加载方式得到的应力结果差别不大。

此外，观察应力云图可知，两种加载方式下，各个构件应力的主要分布范围也有所不同。通过MPC加载时，应力主要分布在锚机底座靠近锚链出绳方向的一侧。而将锚链受力作为沿船长方向的上浪载荷时，整个锚机底座的应力分布范围近似均布。

4 结论

运用MSC.Patran/MSC.Nstran有限元软件对某浮吊船锚机下加强结构的局部强度，运用两种计算载荷进行校核。对比两种计算载荷应力水平可以看出，将破断力按上浪载荷施加时，与直接通过MPC加载计算得到的应力结果有较大差距，采用MPC加载时，多数构件的应力水平稍大。但对于计算中所关心的构件，即锚机底座下加强构件，两种方式给出的应力结果大致相当。因此认为，当应力水平较低时，可根据实际情况，选择其中任意一种方式进行锚机支撑结构局部强度的校核。当应力水平接近许用应力时，建议采用通过MPC加载的方式，加载计算得到最终应力结果。相对其他有关锚机基座局部强度计算的文献[1-3.10-11]，向业界提供普遍使用的两种方法的载荷与结果对比，并总结出了这两种计算方法的适用条件。建议除参考规范外，可采用直接计算的方式探究抨击、上浪等作用力对锚机基座的影响。

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Comparison of Two Direct Calculation Methods for Strength of Windlass Foundation and Its Support Structure

WANG Yi1, ZHANG Shao-xiong1, ZHANG Hua2

(1 School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China;2 Plan Approval Center of China Classification Society, Shanghai 200135, China)

In the direct strength assessment of the windlass's foundation and its supporting structures, two methods to apply the loadings are adopted, and the stress results are compared and analyzed. It can be concluded that both of the methods can be used to assess the local strength of the windlass's foundation and its supporting structures when the stress level is low, when the stress is close to the allowable stress, the method using MPC is recommended.

windlass; local strength; FEM; direct calculation

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.012

2015-05-27

王 佚(1990-)，男，硕士生

U663.7

A

1671-7953(2015)06-0050-06

修回日期：2015-06-30

研究方向:结构强度分析

E-mail:wangyiwwhut@163.com