6 200 t起重船錨機(jī)基座結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

章仲怡,王佐強(qiáng),郭宇禮

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 清潔能源分公司,天津 300450)

0 引言

錨機(jī)是船上用于收放錨及錨鏈的機(jī)械設(shè)備,是整個錨裝置的重要組成部分?；沁B接設(shè)備與船體結(jié)構(gòu)的橋梁,也是保證船舶正常運(yùn)行的重要結(jié)構(gòu)[1]。錨和錨鏈的集中載荷及甲板上浪載荷容易引起錨機(jī)基座及船體支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度破壞,特別是錨機(jī)基座在靠近螺栓孔附近容易出現(xiàn)應(yīng)力集中,導(dǎo)致應(yīng)力較大,不滿足規(guī)范要求。張?jiān)萚2]對某客滾船錨機(jī)基座建立局部結(jié)構(gòu)有限元模型,計(jì)算分析得出錨機(jī)基座的面板和腹板上接近螺栓孔位置容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。章程等[3]以船尾起錨絞車基座及其船體支撐結(jié)構(gòu)作為研究對象,采取增加面板板厚和增加圍護(hù)腹板的方法來降低基座面板轉(zhuǎn)角處的高應(yīng)力。

本文以6 200 t起重船錨機(jī)基座為研究對象,參照中國船級社《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》(2021)(下文簡稱《海規(guī)》)[4]中的相關(guān)規(guī)定,建立了錨機(jī)基座和船體支撐結(jié)構(gòu)的有限元模型,研究了3類降低基座面板在螺栓孔附近圓弧處應(yīng)力的優(yōu)化方案。

1 主要參數(shù)

6 200 t起重船為全焊接結(jié)構(gòu)船,其主尺度如下:總長228.0 m,垂線間長217.0 m,型寬37.3 m,型深19.2 m,設(shè)計(jì)吃水11.5 m。

本船錨機(jī)起錨部分規(guī)格具體如下:錨鏈直徑為87 mm(AM3),額定起錨拉力為359.5 kN,額定起錨速度不小于9 m/min,拋錨深度為82.5 m,支持負(fù)載為2 473 kN。

2 有限元模型

有限元坐標(biāo)系取右手坐標(biāo)系,X方向?yàn)榇w的縱向,向船首方向?yàn)檎?Y方向?yàn)榇w的橫向,向左舷為正;Z方向?yàn)榇w的垂向,向上為正。

有限元模型的范圍:錨機(jī)基座、艏樓甲板、縱向范圍Fr197～Fr215。艏樓甲板下橫艙壁板、甲板縱桁、強(qiáng)橫梁、普通橫梁包括在模型中。甲板、橫縱艙壁板、錨機(jī)基座等結(jié)構(gòu)用板單元模擬,甲板縱桁、甲板強(qiáng)橫梁、艙壁垂直桁腹板用板單元模擬,面板用梁單元模擬,其他小的骨材用梁單元模擬[5]。錨機(jī)基座有限元模型見圖1。

圖1 錨機(jī)基座有限元模型(仰視)

有限元模型的材料參數(shù):錨機(jī)基座、甲板結(jié)構(gòu)材料為普通235鋼,其彈性模量為2.06×105MPa,泊松比為0.3。

模型邊界條件為船中約束Uy、Rx、Rz方向,其余邊界約束Ux、Uy、Uz方向。模型邊界條件見圖2。

圖2 有限元模型邊界條件

3 工況及載荷

根據(jù)《海規(guī)》第2篇第3章第7節(jié)的相關(guān)規(guī)定,計(jì)算工況一般包括45%的錨機(jī)錨鏈破斷強(qiáng)度時載荷和甲板上浪載荷,其中上浪載荷分為舷內(nèi)和舷外2個方向進(jìn)行校核。3個計(jì)算工況如下:

LC1:錨鏈破斷工況;LC2:上浪工況(指向舷內(nèi));LC3:上浪工況(指向舷外)。

錨鏈的破斷力為5 500 kN,對于錨機(jī)下甲板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核,取45%的破斷力,錨鏈與水平的交角為11°。錨機(jī)甲板上浪載荷根據(jù)《海規(guī)》第2篇第3章第2節(jié)的相關(guān)規(guī)定計(jì)算。

模型載荷加載時,將計(jì)算出的螺栓力載荷配置在各個螺栓孔位置[6]。

4 結(jié)果分析

4.1 許用應(yīng)力

根據(jù)《海規(guī)》第2篇第3章第7節(jié)的相關(guān)規(guī)定,錨機(jī)基座和甲板支撐結(jié)構(gòu)的計(jì)算應(yīng)力應(yīng)不大于以下的許用值:合成應(yīng)力235 MPa,剪切應(yīng)力141 MPa,軸向應(yīng)力235 MPa。

4.2 計(jì)算結(jié)果

錨機(jī)基座及船體支撐結(jié)構(gòu)在各工況下的計(jì)算結(jié)果見表1,各工況下的合成應(yīng)力云圖見圖3。

表1 各工況下最大應(yīng)力匯總 單位:MPa

從計(jì)算結(jié)果可知,錨機(jī)基座的船體支撐結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力均小于許用值,滿足規(guī)范要求,而基座面板在螺栓孔附近圓弧處出現(xiàn)應(yīng)力超過許用值的現(xiàn)象,且出現(xiàn)在甲板上浪(舷外)工況。因此,需要對該處結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部優(yōu)化,以滿足強(qiáng)度要求。

5 優(yōu)化方案及結(jié)果分析

為了使基座面板在螺栓孔附近的圓弧處應(yīng)力能夠滿足規(guī)范要求,研究了表2中的3類優(yōu)化方案。各優(yōu)化方案變量示意圖見圖4。

表2 優(yōu)化方案匯總 單位:mm

t—板厚;R—圓弧半徑;d—自由邊距離。

3類優(yōu)化方案基座面板計(jì)算結(jié)果見圖5～圖7。3類優(yōu)化方案基座面板計(jì)算結(jié)果匯總見表3。

表3 優(yōu)化方案應(yīng)力匯總 單位:MPa

圖5 基座面板應(yīng)力云圖(增加板厚)(單位:MPa)

圖6 基座面板應(yīng)力云圖(增加圓弧半徑)(單位:MPa)

圖7 基座面板應(yīng)力云圖(增加自由邊距離)(單位:MPa)

從表3可以看出:

(1)增加板厚可降低基座面板圓弧處的應(yīng)力,但是隨著板厚的增加,應(yīng)力降低幅值越來越小。

(2)基座面板圓弧半徑的增大可以降低該處的應(yīng)力值。圓弧半徑越大,應(yīng)力降低幅值越大。

(3)增大開孔自由邊距離可以降低基座面板圓弧處的應(yīng)力值。將距離由40 mm改為90、140 mm時,應(yīng)力值大幅下降,且距離越遠(yuǎn)降幅越大。但是,將距離增大至190 mm時,圓弧處的應(yīng)力值反而變大了,這主要是由于該距離下的圓弧離另外一個螺栓較近導(dǎo)致的。

為使基座面板圓弧處的應(yīng)力值滿足規(guī)范要求,本船可選擇將面板板厚增加2 mm、將圓弧半徑增大至110 mm,或者將開孔自由邊距離增大至140 mm。增加面板板厚對基座的成本控制不利,將開孔自由邊距離增大需要特別注意螺栓的位置,不能使圓弧距離螺栓太近。綜合來說,增大圓弧半徑至110 mm可將圓弧處應(yīng)力值由258.6 MPa降低至223.1 MPa,滿足規(guī)范要求,同時也是3類優(yōu)化方案中比較經(jīng)濟(jì)、便捷的方案。

6 結(jié)論

(1)根據(jù)計(jì)算結(jié)果,錨機(jī)基座面板在螺栓孔附近圓弧處在甲板上浪(舷外)工況時應(yīng)力較高,不滿足規(guī)范要求。

(2)通過增加基座面板板厚、增大圓弧半徑和開孔自由邊距離,均可以不同程度地將圓弧處的應(yīng)力降低,使其滿足規(guī)范要求。

(3)通過對比分析,隨著板厚的增加,應(yīng)力降低幅值越來越小;而隨著增大圓弧半徑和增大開孔自由邊距離,應(yīng)力降低幅值則越來越大。

(4)對比3類優(yōu)化方案,增大圓弧半徑是降低圓弧處應(yīng)力比較經(jīng)濟(jì)、便捷的方案。