錨泊定位系統(tǒng)錨鏈輪及其機架強度有限元分析

李文華，牛國波，韓鳳翚，林珊穎，周性坤，葛楊元

（1. 大連海事大學(xué) 輪機工程學(xué)院，海底工程技術(shù)與裝備國際聯(lián)合研究中心，遼寧大連 116026；2. 南通力威機械有限公司，江蘇南通 226500）

0 引言

錨泊定位系統(tǒng)是海洋作業(yè)平臺十分關(guān)鍵的設(shè)備之一，通過動力收放錨鏈來保證定位功能，其總體設(shè)計的合理性及綜合性能，是滿足平臺在海洋環(huán)境下全天候工況定位作業(yè)的穩(wěn)定性、可靠性、適應(yīng)性和操作維護性等的重要前提條件。一旦錨泊定位系統(tǒng)發(fā)生故障，海洋平臺將不能確保其定位能力，不僅影響平臺上的設(shè)備正常運行，還會危及人員的生命財產(chǎn)安全。因此，保證錨泊定位系統(tǒng)安全可靠地工作是至關(guān)重要的。

錨鏈輪是錨泊定位系統(tǒng)的重要部件，直接決定著錨泊定位系統(tǒng)能否正常作業(yè)。國內(nèi)對錨泊定位系統(tǒng)錨鏈輪及其機架的研究主要基于ANSYS有限元的結(jié)構(gòu)強度分析。蘭鐵軍[1]以三維實體建模軟件Pro/Engineer和有限元分析軟件ANSYS為工具，對系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)進行有限元分析，驗證了零件結(jié)構(gòu)的合理性，并進行了部分零件的優(yōu)化；史陽陽[2]以78mm液壓組合錨絞機為研究對象，采用剛?cè)狁詈稀⒔Y(jié)構(gòu)優(yōu)化及有限元等理論，對錨絞機錨鏈輪的底座進行優(yōu)化設(shè)計，最終在保證錨絞機能正常工作和盡量維持結(jié)構(gòu)強度的前提下，減輕錨鏈輪和底座的重量；李欽奉等[3]對錨絞機齒輪嚙合性能進行有限元分析，利用非線性有限元法對齒輪沿齒寬和齒高方向的載荷分配規(guī)律進行研究，并對輪齒在嚙合過程中的嚙合剛度變化規(guī)律進行了分析，最終得出載荷分布是不均勻的，嚙合剛度呈周期性變化，同時說明有限元分析可以準確分析嚙合規(guī)律；楊敬東等[4]在“海巡163”輪改造工程中，將主甲板上沉石絞盤更換為臥式液壓錨鏈系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)作業(yè)的載荷受力點和甲板結(jié)構(gòu)局部加強原則對“海巡163”輪系統(tǒng)下的支撐結(jié)構(gòu)進行局部加強方案設(shè)計，并依據(jù)規(guī)范對系統(tǒng)作業(yè)中4種工況的結(jié)構(gòu)進行有限元強度校核，對上浪工況采用的2種加載方式進行對比分析，計算結(jié)果表明最大應(yīng)力值出現(xiàn)在系統(tǒng)支座腳附近的支撐結(jié)構(gòu)上并滿足規(guī)范要求，該系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)加強方案合理可行；張建等[5]基于有限元法對某船舶錨機進行了設(shè)計與分析，以84mm鏈徑的錨絞機為研究對象，建立了包括主軸、錨鏈輪和機體在內(nèi)的柔性有限元模型，并應(yīng)用ABAQUS進行了支持負載、制動負載和額定負載下錨絞機力學(xué)性能有限元分析，結(jié)果表明錨機強度設(shè)計符合要求，有限元分析方法可以應(yīng)用到研究強度、剛度和穩(wěn)定性等力學(xué)性能上。

綜上所述，對包括錨鏈輪和機架的有限元分析還存在著諸如有限元模型簡化過度、網(wǎng)格精度不夠以及沒有實際工況依托等不足之處。本文以鏈徑為76 mm的“勘探三”號海洋平臺錨泊定位系統(tǒng)為研究對象，以該錨泊定位系統(tǒng)的錨鏈輪及其機架為原型同比例建模，保證所分析模型和實際工況相符。采用某一時刻線性靜應(yīng)力對該裝置錨鏈輪及其機架進行有限元分析，應(yīng)用服務(wù)器進行網(wǎng)格精細化分，局部網(wǎng)格的大小可達到1mm，精度可以達到1/1000甚至1/10000，這遠高于其他研究的有限元網(wǎng)格精度。根據(jù)等效應(yīng)力應(yīng)變云圖，找出最大應(yīng)力應(yīng)變發(fā)生位置，對錨鏈輪和機架進行強度校核，驗證錨泊定位系統(tǒng)的設(shè)計強度，以保證其安全穩(wěn)定地作業(yè)。

1 錨泊定位系統(tǒng)系統(tǒng)

“勘探三”號平臺錨泊定位系統(tǒng)選型為全錨鏈結(jié)構(gòu)形式，其實物圖和根據(jù)實物等比例建模分別如圖1和圖2所示?！翱碧饺碧柶脚_錨泊定位系統(tǒng)技術(shù)指標如表1所示。

圖1 “勘探三”號錨泊定位系統(tǒng)實物圖

圖2 “勘探三”號錨泊定位系統(tǒng)模型

表1“勘探三”號錨鏈系統(tǒng)技術(shù)指標

2 錨鏈輪結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 錨鏈輪結(jié)構(gòu)

錨鏈輪即與錨鏈嚙合傳動的卷筒，最常見的錨鏈輪根據(jù)齒數(shù)的不同，可以將其分為A型5齒錨鏈輪、B型6齒錨鏈輪和C型7齒錨鏈輪。本文分析的錨泊定位系統(tǒng)錨鏈輪采用的是圖3中的A型5齒錨鏈輪。

該錨鏈輪是高強度合金結(jié)構(gòu)滲碳鋼件，采用國家標準GB/T 3077—1999。合金結(jié)構(gòu)鋼[6]中牌號為20Cr2Ni4的錨鏈輪材料屬性如表2所示。

圖3 A型5齒錨鏈輪

表2 “勘探三”號錨鏈輪材料屬性

與錨鏈輪嚙合傳動的錨鏈是76mm的標準環(huán)形無檔錨鏈，根據(jù)船舶行業(yè)標準CB/T 3179—1996[7]，此錨泊定位系統(tǒng)錨鏈輪的主要尺寸如表3所示，其中：節(jié)圓直徑DP為錨鏈與錨鏈輪嚙合時，錨鏈中心線所形成的正多邊形的外節(jié)圓直徑；速度計算直徑DV為確立動力起錨時，錨鏈移動線速度的計算直徑。

表3“勘探三”號錨鏈輪基本尺寸

2.2 錨鏈輪的載荷分析

由于錨泊定位系統(tǒng)在工作過程中錨鏈與錨鏈輪嚙合傳動屬于強力傳動，所以可忽略圓環(huán)錨鏈重量，除此之外錨鏈輪還要承受來自環(huán)形錨鏈的各種載荷（包括靜載荷、動載荷、沖擊載荷和振動載荷等），其中最主要是靜載荷和動載荷：靜載荷為錨鏈輪在穩(wěn)態(tài)或靜止時承受的載荷，動載荷為錨鏈輪和錨鏈嚙合傳動過程中所承受的載荷[5]。本文主要分析靜載荷情況，因此將動載荷及其他次要載荷通過北航CAXA-EB的開發(fā)環(huán)境進行力的迭代，將A型5齒錨鏈輪所受包括動載荷在內(nèi)的其他載荷轉(zhuǎn)換成靜載荷。經(jīng)計算，“勘探三”號平臺錨泊定位系統(tǒng)最大工作靜載荷為3000kN。

經(jīng)過分析，錨鏈與A型5齒錨鏈輪的接觸點從接觸到脫開的運動軌跡是沿著五邊形的1條邊移動的[7]，即如果完成1圈A型5齒錨鏈輪與錨鏈的嚙合傳動，將會呈現(xiàn)出1個正五邊形的嚙合傳動路徑。然而，實際與錨鏈輪發(fā)生嚙合傳動的錨鏈只有3個。這種嚙合傳動過程有2種情況，如圖3所示：一種是2個平環(huán)和1個立環(huán)這3個錨鏈和錨鏈輪嚙合傳動（如圖3中的M2、M3和M4）；另一種則是2個立環(huán)和1個平環(huán)這3個錨鏈和錨鏈輪間的嚙合傳動（如M1、M2和M3）。無論是哪種嚙合傳動過程，均可將這種嚙合傳動過程等效為只與錨鏈輪上部接觸面嚙合，然后將最大載荷加到等效的上部接觸面進行分析。

2.3 錨鏈輪的有限元分析

對錨鏈輪進行有限元分析，首先需建立錨鏈輪模型，但對于錨鏈輪這種較復(fù)雜的部件，采用非專業(yè)三維建模軟件的ANSYS建模比較困難，所以首先用SolidWorks建立錨鏈輪模型（圖4），然后以“.x_t”格式導(dǎo)入ANSYS中。由于模型部件較大，將主要受力和最容易出現(xiàn)問題的錨鏈輪輪齒劃分成精度為1mm的網(wǎng)格，其余精度要求可適當降低，最終生成有著3110756個單元和4452 076個節(jié)點的錨鏈輪有限元網(wǎng)格模型。

圖4 “勘探三”號錨鏈輪模型

將輪齒精度加密后劃分的錨鏈輪網(wǎng)格模型進行單元特性分析，采用以選擇節(jié)點為基本未知量的位移法，然后應(yīng)用邊界條件和平衡條件將3110756個單元重新連接起來，形成錨鏈輪整體的有限元方程：

式中：K為整體結(jié)構(gòu)的剛性矩陣；q為節(jié)點位移列陣；f為載荷列陣。

將錨鏈輪軸心固定約束，將轉(zhuǎn)換后最大靜載荷3000kN加載到錨鏈輪齒的上部接觸面，得到錨鏈輪的等效應(yīng)力云圖和等效應(yīng)變云圖分別如圖5和圖6所示。

圖5 “勘探三”號錨鏈輪等效應(yīng)力云圖

圖6 “勘探三”號錨鏈輪等效應(yīng)變云圖

由圖5和圖6可以看出：1）錨鏈輪所受的最大應(yīng)力為88.219MPa，發(fā)生在兩齒之間和錨鏈嚙合處，根據(jù)材料屬性，錨鏈輪符合設(shè)計要求；2）錨鏈輪的最大形變?yōu)?.00046378mm，出現(xiàn)在兩齒之間和錨鏈嚙合處，根據(jù)材料屬性，錨鏈輪也滿足設(shè)計要求。

3 機架結(jié)構(gòu)有限元分析

3.1 機架結(jié)構(gòu)和載荷分析

錨泊定位系統(tǒng)機架由與地面固定約束的底座、側(cè)立板、立板四周的圍板、支撐用H型鋼和軸承座等組成，材料分別是ZG 230-450、DH36、Q 235-B、Q235-A和ZG 230-450，這些材料屬性[9]如表4所示。

表4 “勘探三”號機架材料屬性

雖然機架不是錨泊定位系統(tǒng)的主要部件，但其結(jié)構(gòu)強度在一定程度上還是會影響錨泊定位系統(tǒng)的正常運行，尤其是軸承座承載著錨鏈輪的軸承和以靜載荷為主、摻雜著沖擊載荷和振動載荷的各種載荷。將各種載荷通過計算轉(zhuǎn)換成靜載荷，包括整個錨泊定位系統(tǒng)設(shè)備的重量，轉(zhuǎn)換的靜載荷為3370kN，將其加載到錨泊定位系統(tǒng)機架上，而后進行分析。

3.2 機架的有限元分析

同錨鏈輪有限元分析一樣，要對機架進行有限元分析。首先建立機架模型，選用Solidworks建立機架模型見圖7，然后以“.x_t”的格式導(dǎo)入Ansys中。根據(jù)經(jīng)驗，將側(cè)立板和H型鋼劃分成1mm精度的網(wǎng)格，其余部分可適當降低網(wǎng)格精度，最終生成有著2431195個單元和12046315個節(jié)點的錨泊定位系統(tǒng)機架有限元網(wǎng)格模型。

圖7 “勘探三”號錨鏈系統(tǒng)機架模型

由于機架底座為固定約束，6自由度都被限制，將包括整個錨泊定位系統(tǒng)設(shè)備重量的計算轉(zhuǎn)換成靜載荷3370 kN加載在軸承座上，得到錨泊定位系統(tǒng)機架的等效應(yīng)力云圖和等效應(yīng)變云圖如圖8和圖9所示。

圖8 “勘探三”號錨鏈系統(tǒng)機架等效應(yīng)力云圖

圖9 “勘探三”號錨鏈系統(tǒng)機架等效應(yīng)變云圖

從圖8和圖9可以看出：1）機架所受的最大應(yīng)力為436.66MPa，發(fā)生在軸承座和機架立板連接處，根據(jù)所用材料屬性，機架符合設(shè)計要求；2）機架最大形變?yōu)?.002 474 2mm，出現(xiàn)在軸承座和機架立板連接處，根據(jù)所用材料屬性，機架也滿足設(shè)計要求；3）機架其他部件開孔處存在較大應(yīng)力，屬于應(yīng)力集中。

4 結(jié)論

依托“勘探三”號海洋平臺錨泊定位系統(tǒng)實際情況，建立了錨鏈輪和系統(tǒng)機架模型并對其進行有限元分析，研究結(jié)果表明：有限元分析不僅可以應(yīng)用到錨泊定位系統(tǒng)的強度校核，還能根據(jù)有限元分析結(jié)果判斷出系統(tǒng)中容易出現(xiàn)問題的部件，為結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供參考與借鑒。本文提供的研究方法具有一定的實用性和參考價值。