王 佚,張少雄,張 華

(1.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063;2.中國(guó)船級(jí)社 上海審圖中心，上海 200135)

錨機(jī)支撐結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度兩種直接計(jì)算方法對(duì)比

王 佚1,張少雄1,張 華2

(1.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063;2.中國(guó)船級(jí)社 上海審圖中心，上海 200135)

采用兩種加載方式對(duì)某浮吊錨機(jī)基座及相關(guān)船體結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度進(jìn)行直接計(jì)算，并對(duì)比分析兩種方法所得的應(yīng)力結(jié)果，結(jié)果表明，兩種方法是應(yīng)力結(jié)果差別較大，在應(yīng)力水平較低時(shí)兩種方法都可以用來(lái)計(jì)算校核基座及其支撐結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度；當(dāng)應(yīng)力水平接近許用應(yīng)力時(shí)，建議采用MPC加載方式計(jì)算評(píng)估。

錨機(jī)；局部強(qiáng)度；有限元；直接計(jì)算

隨著船舶噸位不斷增大，錨系泊力越來(lái)越大。雖然有掣鏈器在拋錨時(shí)控制錨鏈的運(yùn)動(dòng)，承受錨鏈的拉力，但錨機(jī)因其自重大，振動(dòng)強(qiáng)，且與支撐結(jié)構(gòu)依靠螺栓連接，其下支撐結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度仍是船舶結(jié)構(gòu)安全性計(jì)算中需要重點(diǎn)校核的部位。

對(duì)錨機(jī)支撐結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度的評(píng)估一般采用有限元直接計(jì)算的方法。評(píng)估時(shí)采用局部細(xì)化模型，以得到更為精確的應(yīng)力值與應(yīng)力分布情況?，F(xiàn)行的加載方式有兩種，第一種為利用MPC模擬錨機(jī)的尺寸，在獨(dú)立點(diǎn)上施加錨鏈作用力，模擬出錨機(jī)所受的載荷[1]；第二種是當(dāng)該局部強(qiáng)度需要考慮上浪載荷時(shí)，替代第一種加載方式的簡(jiǎn)化方式。具體做法為將錨鏈作用力當(dāng)做沿船長(zhǎng)方向的上浪載荷，按規(guī)范計(jì)算破斷力作用下每個(gè)螺栓的受力，再分別加載[2-9]。兩種方法在工程中被頻繁使用。但未見關(guān)于兩種方法的使用條件及其結(jié)果差異的分析報(bào)道。

為此，以某浮吊錨機(jī)設(shè)備為對(duì)象，運(yùn)用通用有限元計(jì)算軟件MSC.Patran/Nastran對(duì)其基座下支撐結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度進(jìn)行校核，從應(yīng)力計(jì)算結(jié)果比較兩種加載方法的區(qū)別。

1 船舶基本情況及結(jié)構(gòu)模型

某非自航扒桿式起重船，為單底、單甲板縱骨架式箱型結(jié)構(gòu)。左右舷各2道貫通縱艙壁，全長(zhǎng)范圍內(nèi)共6道水密橫艙壁。全船范圍內(nèi)在Fr4，距船中縱剖面9 600 mm處，左右兩舷各設(shè)一個(gè)帶摯鏈器的錨機(jī)。錨機(jī)通過螺栓固定在高出甲板600 mm的基座上，基座由數(shù)個(gè)沿船長(zhǎng)及 船寬方向的肘板支撐。摯鏈器焊接在甲板上，甲板下方設(shè)置了縱橫各2道加強(qiáng)肘板。

1.1 模型范圍及建立

參照《鋼質(zhì)海船入籍規(guī)范》(2012)(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)[5]第3章第7節(jié)3.7.2.6中的規(guī)定，錨機(jī)底座及摯鏈器下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度計(jì)算模型范圍和網(wǎng)格大小按照以下標(biāo)準(zhǔn)選?。翰捎镁植苛Ⅲw結(jié)構(gòu)模型(以下簡(jiǎn)稱“局部模型”)，以基座有效作用平面矩形(a×b)形心為中心，向四周分別擴(kuò)展至少一倍的該矩形相對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)、寬距離(3a×3b)。垂向從基座面擴(kuò)展至甲板之下的第一個(gè)甲板平臺(tái)或至少D/4處(D為型深)。

本船錨機(jī)基座有效平面矩形尺寸為4 606 mm×5 345 mm，模型選取范圍為包括摯鏈器及錨鏈筒的平面區(qū)域，尺寸為20 m×16 m，且錨機(jī)基座位于模型中心。本船型深D=9.0 m，模型垂向范圍為基座面向下3 600 mm(距基線6 000 mm)的水平桁所在平面。故模型范圍選取滿足規(guī)范要求。

模型具體范圍及包含內(nèi)容為：沿船縱向從Fr0到Fr8，沿船寬方向從船中剖面至左距中縱剖面16 000 mm艙壁，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圍內(nèi)的主甲板、基座、基座下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)、強(qiáng)橫梁、縱桁、縱骨、錨鏈筒、錨鏈艙艙壁、縱橫艙壁、艙壁扶強(qiáng)材、錨鏈艙強(qiáng)框架、外板、舷側(cè)縱骨、強(qiáng)肋骨及肘板等構(gòu)件。

1.2 單元網(wǎng)格

基座細(xì)化區(qū)域內(nèi)的有限元模型中的甲板板，縱橫艙壁板，外板，強(qiáng)橫梁、縱桁、縱骨、強(qiáng)肋骨、扶強(qiáng)材、肘板等構(gòu)件的腹板大部分采用四邊形板單元，主要構(gòu)件面板超過寬350 mm的部分亦采用四邊形單元，單元邊長(zhǎng)約為125 mm×125 mm，主要構(gòu)件上的四邊形單元邊長(zhǎng)比不超過1∶2，采用少量三角形板單元進(jìn)行過渡；其余構(gòu)件如寬度小于350 mm的桁材面板，艙壁扶強(qiáng)材、甲板縱骨、外板縱骨、肘板的面板等均采用梁?jiǎn)卧M。

1.3 邊界條件

選取的子模型范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于錨機(jī)基座所在范圍，通過所有斷面處的節(jié)點(diǎn)施加簡(jiǎn)支邊界條件。

錨機(jī)基座模型的邊界條件取法如下。

1)甲板斷面處，約束x,y,z方向上的線位移與z軸的角位移；

2)艉封板以及縱橫艙壁選擇在模型的底部(BL6 000 mm)剖面固支。

1.4 材料屬性

船體鋼材的材料參數(shù)如下。

楊氏模量E=2.06×105 N/mm2；

泊松比μ=0.3；

密度ρ=7.85×10-9t/mm2。

2 計(jì)算載荷

本船錨機(jī)帶掣鏈器，根據(jù)《規(guī)范》第2章第3節(jié)3.7.2.3，校核破斷負(fù)荷的45%工況下錨機(jī)底座的強(qiáng)度。該錨鏈的破斷力為3 500 kN，45%工況下破斷力為1 575 kN。

根據(jù)“航行錨布置圖”，錨機(jī)與摯鏈器相連的錨鏈與甲板的夾角為15°，錨機(jī)伸入錨鏈筒的錨鏈方向垂直向下。錨機(jī)的破斷力方向?yàn)檠劐^鏈方向。摯鏈器的破斷力方向經(jīng)過摯鏈器閘刀沿錨鏈筒方向指向船尾。

如圖1所示，在“航行錨布置圖”中，標(biāo)明了錨機(jī)、摯鏈器、錨鏈筒的位置和角度以及錨鏈的走向。

圖1 錨機(jī)上錨鏈走向示意

此外，錨機(jī)自重10 580 kg，基座及相關(guān)結(jié)構(gòu)的自重用慣性力(g=9.81 m/s2)施加。各螺栓相對(duì)錨機(jī)的位置見圖2。

圖2 錨機(jī)螺栓組位置示意

2.1 采用MPC加載

在模型中，錨鏈對(duì)錨機(jī)的破斷載荷采用多點(diǎn)約束(MPC)，以集中力的方式加載，出于偏危險(xiǎn)的考慮，錨機(jī)的載荷作用點(diǎn)，即獨(dú)立點(diǎn)位置，定為錨機(jī)錨鏈輪中分線與錨鏈輪軸中心線交點(diǎn)處，錨機(jī)滾輪的最高點(diǎn)。關(guān)聯(lián)點(diǎn)為絞車與絞車基座螺栓固定點(diǎn)，相關(guān)6個(gè)自由度。

計(jì)算載荷根據(jù)繩索方向，通過建立局部坐標(biāo)系的方式施加。獨(dú)立點(diǎn)節(jié)點(diǎn)號(hào)為197 854，坐標(biāo)為(9 900,9 600,11 110)。

考慮垂直向下指向錨鏈艙艙口的錨鏈破斷力、錨機(jī)與摯鏈器相連的錨鏈與甲板的夾角為15°的錨鏈破斷力，以及錨機(jī)自重。錨機(jī)所受載荷及載荷名稱見表1，各載荷及合力見圖3。

表1 錨機(jī)MPC獨(dú)立點(diǎn)處施加載荷 N

圖3 MPC加載方式錨機(jī)載荷示意

通過Patran，輸出采用MPC加載時(shí)，各螺栓組受力見表3。

2.2 將錨鏈?zhǔn)芰Ξ?dāng)做沿船長(zhǎng)方向的上浪載荷

根據(jù)《規(guī)范》第3章第3節(jié)3.2.5.3(1)中的敘述，作用在船首甲板錨機(jī)上的壓力Px為垂直于軸線由船艏首向后方向，即掣鏈器指向錨機(jī)。故錨鏈破斷力工況下，Px=-1 521.34 kN(-3 500 kN×45%×cos15°)，Py=0。

根據(jù)《規(guī)范》第三章第3節(jié)，第i個(gè)螺栓組的軸向Ri按下式計(jì)算。

(1)

式中：Px——垂直于軸線的作用力，kN，此處Px=1 521.34 kN;

Py——平行于軸線的作用力，kN,此處Py=0;

h——錨機(jī)軸線離安裝平面的高度，cm；此處h=108 cm;

xi,yi——第i螺栓組到所有N個(gè)螺栓組的中心的x和y方向的坐標(biāo)，cm，以作用力的相反方向?yàn)檎担?/p>

Ai——第i螺栓組所有的螺栓橫剖面面積之和，cm2；

表3 采用MPC加載時(shí)螺栓受力 kN

Rsi——由錨機(jī)重量作用在第i個(gè)螺栓組上的靜反力，kN。

作用在第i個(gè)螺栓組上的剪切力Fxi、Fyi，以及合成力Fi可按下式計(jì)算：

(2)

式中：α——摩擦系數(shù)，取α=0.5；W——錨機(jī)重量，t，此處W=10.58 t；g——重力加速度，取g=9.81 m/s2；N——螺栓組數(shù)量，此處N=29。

其中，Ri為正時(shí)為拉力；Fxi為正時(shí)沿掣鏈器指向錨機(jī)；Fyi為正時(shí)沿右舷指向左舷。軸向力Ri計(jì)算結(jié)果見表4,Fxi=-54.25、Fyi=0。

表4 破斷力工況下螺栓軸向力和水平剪切力 kN

2.3 載荷對(duì)比

對(duì)比表3與表4，顯然，兩種加載方法中，加到螺栓組上的載荷只有力，沒有彎矩。采用第二種加載方法，即將錨鏈?zhǔn)芰Ξ?dāng)做沿船長(zhǎng)方向的上浪載荷時(shí)，是將錨鏈破斷力平均分配到了每一個(gè)螺栓組上。與此同時(shí)，每個(gè)螺栓均沒有受到y(tǒng)方向上的力，說(shuō)明這種加載方法并沒有考慮因錨機(jī)自身結(jié)構(gòu)，螺栓組所受即沿船寬方向的內(nèi)力。

3 應(yīng)力結(jié)果及對(duì)比

3.1 采用MPC加載

采用MPC加載時(shí)，各個(gè)構(gòu)件的最大相當(dāng)應(yīng)力見表5，應(yīng)力見圖4。

圖4 MPC方式加載時(shí)錨機(jī)應(yīng)力云圖

3.2 將錨鏈?zhǔn)芰Ξ?dāng)做沿船長(zhǎng)方向的上浪載荷

采用MPC加載時(shí)，各個(gè)構(gòu)件的最大相當(dāng)應(yīng)力見表6，應(yīng)力見圖5。

表5 采用MPC加載

注：“——”表示該構(gòu)件在計(jì)算區(qū)域內(nèi)面積較小，觀察主要應(yīng)力范圍無(wú)意義。

3.3 應(yīng)力結(jié)果對(duì)比

雖然用兩種方法計(jì)算出的結(jié)果都滿足規(guī)范要求，但用MPC加載算出的最大應(yīng)力(89.8 MPa)遠(yuǎn)大于將破斷力按上浪載荷施加的最大應(yīng)力(48.1 MPa)，該應(yīng)力出現(xiàn)在錨鏈艙。且對(duì)于甲板和橫艙壁，通過MPC加載計(jì)算出的應(yīng)力也較大。與此同時(shí)，按上浪載荷算法計(jì)算出的縱艙壁、縱骨等縱向構(gòu)件的應(yīng)力水平更高。

表6 采用MPC加載

注：“——”表示該構(gòu)件在考察區(qū)域內(nèi)面積較小，觀察主要應(yīng)力范圍無(wú)意義。

圖5 將錨鏈?zhǔn)芰Ξ?dāng)做沿船長(zhǎng)方向的 上浪載荷時(shí)錨機(jī)應(yīng)力云圖

然而，重點(diǎn)考察構(gòu)件，如錨機(jī)底座、錨機(jī)底座面板的應(yīng)力水平，兩種加載方式得到的應(yīng)力結(jié)果差別不大。

此外，觀察應(yīng)力云圖可知，兩種加載方式下，各個(gè)構(gòu)件應(yīng)力的主要分布范圍也有所不同。通過MPC加載時(shí)，應(yīng)力主要分布在錨機(jī)底座靠近錨鏈出繩方向的一側(cè)。而將錨鏈?zhǔn)芰ψ鳛檠卮L(zhǎng)方向的上浪載荷時(shí)，整個(gè)錨機(jī)底座的應(yīng)力分布范圍近似均布。

4 結(jié)論

運(yùn)用MSC.Patran/MSC.Nstran有限元軟件對(duì)某浮吊船錨機(jī)下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度，運(yùn)用兩種計(jì)算載荷進(jìn)行校核。對(duì)比兩種計(jì)算載荷應(yīng)力水平可以看出，將破斷力按上浪載荷施加時(shí)，與直接通過MPC加載計(jì)算得到的應(yīng)力結(jié)果有較大差距，采用MPC加載時(shí)，多數(shù)構(gòu)件的應(yīng)力水平稍大。但對(duì)于計(jì)算中所關(guān)心的構(gòu)件，即錨機(jī)底座下加強(qiáng)構(gòu)件，兩種方式給出的應(yīng)力結(jié)果大致相當(dāng)。因此認(rèn)為，當(dāng)應(yīng)力水平較低時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況，選擇其中任意一種方式進(jìn)行錨機(jī)支撐結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度的校核。當(dāng)應(yīng)力水平接近許用應(yīng)力時(shí)，建議采用通過MPC加載的方式，加載計(jì)算得到最終應(yīng)力結(jié)果。相對(duì)其他有關(guān)錨機(jī)基座局部強(qiáng)度計(jì)算的文獻(xiàn)[1-3.10-11]，向業(yè)界提供普遍使用的兩種方法的載荷與結(jié)果對(duì)比，并總結(jié)出了這兩種計(jì)算方法的適用條件。建議除參考規(guī)范外，可采用直接計(jì)算的方式探究抨擊、上浪等作用力對(duì)錨機(jī)基座的影響。

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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，碩士生

U663.7

A

1671-7953(2015)06-0050-06

修回日期：2015-06-30

研究方向:結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

E-mail:wangyiwwhut@163.com