葛楊元，馬云驕

（南通力威機械有限公司，江蘇 南通 226500）

0 引 言

卷筒是海上定位錨機的核心部件，其可靠性和使用壽命對保證錨機長期穩(wěn)定工作起著至關(guān)重要的作用。目前大型薄壁卷筒主要依靠經(jīng)驗公式設(shè)計，設(shè)計完成之后再進(jìn)行強度、剛度和穩(wěn)定性校核。這種設(shè)計方法的優(yōu)點是簡便實用，設(shè)計出的產(chǎn)品安全可靠。但是，從錨機的工程實踐中可以看出，卷筒強度余量偏大使得制造成本偏高，影響經(jīng)濟效益低。

目前國內(nèi)外還沒有成熟的薄壁卷筒強度設(shè)計理論和方法能代替?zhèn)鹘y(tǒng)設(shè)計方法。本文根據(jù)定位錨機卷筒結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點，利用有限元分析軟件ANSYS對傳統(tǒng)設(shè)計提出改進(jìn)意見，以期提高設(shè)計精度。

1 大型薄壁焊接卷筒的受力和變形特點

在研究薄壁焊接卷筒的強度問題時，首先應(yīng)考慮應(yīng)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個應(yīng)力，即：因傳遞扭矩而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、鋼絲繩拉力造成的彎曲應(yīng)力和鋼絲繩卷繞在卷筒上對卷筒外壁的壓應(yīng)力。

卷筒所受的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力較小，對強度的影響可忽略不計。本文研究的卷筒長度較短，故彎曲應(yīng)力對強度的影響也不予考慮。對卷筒壁厚強度影響最大的是鋼絲繩卷繞時對卷筒外壁的壓應(yīng)力，會使卷筒發(fā)生壓縮和彎曲變形[1]。

然而，卷筒在實際工況下并不是只受1圈鋼絲繩拉力的作用，而是受到多圈等距離排列的鋼絲繩拉力的作用。若卷繞在薄壁卷筒上的所有鋼絲繩都保持初始卷繞時的拉力，則當(dāng)薄壁卷筒上布滿等距離卷繞的鋼絲繩時，彎曲應(yīng)力引發(fā)的變形會消失。此時卷筒外壁表面上的每個點都受徑向壓縮載荷的作用，即只受到均勻的外壓作用（見圖1）[2]。

圖1 薄壁卷筒的外壓

為計算鋼絲繩上的拉力F在卷筒壁內(nèi)引起的應(yīng)力，首先計算出拉力F在薄壁卷筒表面單位面積上引起的壓應(yīng)力P。

式(1)中：D為薄壁卷筒直徑，mm；b為卷筒繩槽間距，mm；P為卷筒單位面積上所受的壓力，MPa。

卷繞在薄壁卷筒上的鋼絲繩的拉力是逐圈遞減的，鋼絲繩與薄壁卷筒繩槽間的摩擦?xí)恋K各圈鋼絲繩之間拉力的平衡。考慮到該因素，薄壁卷筒外壓的計算式[3]可表示為

式(2)中：D為薄壁卷筒直徑，mm；b為卷筒繩槽間距，mm；P為卷筒單位面積所受壓力，MPa。

2 卷筒有限元模型建立及計算分析

為準(zhǔn)確反映卷筒各部分的實際應(yīng)力分布，首先在CAD軟件中按照卷筒的實際尺寸建立卷筒的三維模型，并將其導(dǎo)入到ANSYS軟件中進(jìn)行必要的幾何前處理；隨后進(jìn)行網(wǎng)格劃分[4]，賦予相應(yīng)的材料屬性，根據(jù)實際的受力情況添加對應(yīng)的載荷和約束條件；最后在ANSYS軟件中進(jìn)行求解，對所得結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 卷筒模型簡化

為節(jié)省計算機資源，在不影響求解精度的前提下，利用一些幾何前處理工具對卷筒三維模型進(jìn)行簡化。可刪除、壓縮一些對計算結(jié)果影響較小的特征，保留反映卷筒實際結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性的結(jié)構(gòu)。

定位錨機卷筒三維模型見圖2，其主要參數(shù)見表1。

圖2 定位錨機卷筒三維模型

表1 定位錨機卷筒主要參數(shù)

卷筒的筒身通過鍛造加工而成，筋板為現(xiàn)有板材，各部件之間通過焊接連成一體。卷筒壁厚（繩槽底部至筒體內(nèi)徑的厚度）為 105mm，遠(yuǎn)小于卷筒寬度 2095mm，可視作薄壁結(jié)構(gòu)。因此，在建立有限元模型時做以下假設(shè)[5]：

1) 卷筒是封閉的薄壁圓柱殼，材料各向同性且均勻分布；

2) 鋼絲繩對卷筒的壓力均勻分布在鋼絲繩與卷筒的接觸寬度上。

2.2 邊界條件處理

上述卷筒結(jié)構(gòu)左右兩端通過卷筒軸支承在滾動軸承座上。由于鋼絲繩卷繞在卷筒上時與左右兩端各有一段距離，且在實際工況下左右兩端變形很小，故可將卷筒兩端作為邊界條件，添加約束，對右端進(jìn)行固定約束，允許左端有軸向位移，約束另2個方向的自由度。

2.3 載荷施加

根據(jù)卷筒的實際受力情況，其受到鋼絲繩的作用力主要有以下3個：

1) 將鋼絲繩卷繞在卷筒外壁來帶動卷筒旋轉(zhuǎn)，由此對卷筒中心產(chǎn)生扭矩作用；

2) 將卷筒簡化成簡支梁，作用在鋼絲繩上的拉力會對卷筒產(chǎn)生彎矩；

3) 將鋼絲繩卷繞時對卷筒外壁的壓緊作用等效為一個均勻分布的壓力。

本文的分析忽略前2種載荷，只對卷筒施加一個均勻分布的壓力載荷，加載情況見圖3。

2.4 卷筒有限元計算

2.4.1 帶繩槽卷筒筒殼的有限元計算

1) 材料設(shè)置與網(wǎng)格劃分。算例中的卷筒主要由Q345D鋼材鍛造而成，在ANSYS軟件中新建名為steel的新材料，彈性模量設(shè)為2.06×105MPa，泊松比設(shè)為0.28，密度設(shè)為7850kg/m3。單元類型選用SOLID185實體單元。首先采用默認(rèn)的網(wǎng)格進(jìn)行試算，然后在應(yīng)力較大的部位對網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，這樣既可滿足精度要求，又不會占用過多的計算機資源，有利于節(jié)省計算時間。卷筒網(wǎng)格劃分見圖4。

圖3 載荷施加

圖4 卷筒網(wǎng)格劃分

2) 加載及求解。繩槽卷筒變形圖和應(yīng)力分布圖分別見圖5和圖6。

圖5 繩槽卷筒變形圖

圖6 繩槽卷筒應(yīng)力分布圖

2.4.2 計算分析

1) 傳統(tǒng)理論分析。本文研究的繩槽卷筒的鋼絲繩的最大拉力為2500kN，卷筒薄壁所受均布壓縮應(yīng)力為P= 0 .5 ·Fmax/(δall·b) = 9 0.6 MPa ，小于卷筒的許用應(yīng)力[σp] （[σp] =σF/1.5 = 190 MPa ）。

2) 有限元計算分析。由圖5和圖6可知，最大變形出現(xiàn)在卷筒邊緣處（為0.16294mm），最大應(yīng)力位于法蘭筋板處（為77.046MPa），均小于規(guī)定的許用值。

3) 仿真對比分析。為對比傳統(tǒng)設(shè)計與有限元指導(dǎo)下的改進(jìn)設(shè)計的差異，首先在Solid Works中修改模型的尺寸，將法蘭連接筋板的厚度減小2mm，將卷筒壁厚減小 2mm；隨后將修改后的模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中，材料設(shè)置、邊界條件和加載情況都與之前相同；最后得到計算結(jié)果見圖7。最大應(yīng)力值為115.51MPa，仍小于材料的許用值190MPa。

圖7 改進(jìn)設(shè)計分析結(jié)果

3 結(jié) 語

由上述計算分析可知，傳統(tǒng)的薄壁卷筒壁厚設(shè)計和強度校核理論過于保守，存在較大的強度余量，未充分考慮繩槽、卷筒長度及兩端覆板的影響，沒有充分利用材料。通過有限元分析，在保證安全、可靠的基礎(chǔ)上，可適當(dāng)減小卷筒的壁厚，不僅方便加工和焊接，而且可滿足輕量化設(shè)計要求，降低制造成本。