潘良高，许权智

● (1.海军驻南京地区航天机电系统军事代表室，江苏南京 210003；2.南京中船绿洲机器有限公司，江苏南京210013)

锚绞机焊接基座的载荷计算与结构分析

潘良高1，许权智2

● (1.海军驻南京地区航天机电系统军事代表室，江苏南京 210003；2.南京中船绿洲机器有限公司，江苏南京210013)

对锚绞机焊接基座进行结构分析，探讨了锚绞机在支持负载作用下承受的最大倾覆力矩对联结螺栓和焊接基座产生的载荷的计算方法及应用ANSYS进行基座结构分析的加载方法。

载荷计算；焊接基座；ANSYS加载方法；锚绞机

0 引言

从2005年开始，船级社对锚绞机的焊接基座要求进行强度计算。当前越来越多的国内自主品牌产品应用于各种运输船和工程船，当前船体甲板连接的焊接基座的受力计算一般只是进行联接螺栓的强度计算，并未提出具体的载荷计算方法和结构应力分析方法[1-3]。某单位最早开始采用ANSYS对船体部分进行项目分析，根据CCS《钢质海船入级规范》的要求，应将锚绞机基座和系泊绞车基座视为甲板支撑结构的一部分直接进行强度计算，并提交船级社审核，故必须对锚绞机的基座进行结构分析[4]，校核基座的强度和刚度，以保证锚绞设备使用的安全可靠。针对现有计算状态，本文提出具体的载荷计算方法和结构分析的加载法。

1 基座所承受的载荷计算

1.1 锚绞机基座载荷及使用工况介绍

基座的载荷主要来自紧固基座的地脚螺栓，锚绞机承受的工作负载改变了螺栓和垫板原有的紧固状态，同时引起了螺栓和垫板的受力变化。所以垫板的载荷计算与螺栓载荷计算联系在一起，或者说是螺栓载荷计算的延伸，就是把螺栓以及被其紧固的垫板（包括机座的相关部分）作为弹性系统，通过其在载荷作用下的变形协调，求解两者的载荷分配。

锚绞机基座的工作负载分为下列3种情形：锚绞机额定工况时锚链或者缆绳的拉力、锚链轮（或者卷筒）支持负载工况时锚链或者缆绳的拉力、风浪作用于锚绞机产生的侧面推力。从校核基座强度的角度来说，无须细究载荷来讲，锚绞机基座承受的工作负载只会是三种情形中的之一，如果两者同时发生作用应取其合力）。工作载荷通常归结为一个集中力，该力的作用部位总是高于基座，所以它使机器发生相对于基座移动倾向外，并使机器有转动的倾向。可把作用于机器上的力，等效转化为一个力矩和一个力，这个力的作用点应在机座基面的螺栓组中心上。其目的是把工作载荷按其对机器的作用分成“回转”和“平移”两部分，以便分别计算它们对垫板的作用。

1.2 等效力及等效力矩对基座的作用

1.2.1 等效力对基座的作用

等效力中的水平分量使锚绞机有平移的倾向，机座与基座间产生了摩擦力与之平衡。如果摩擦力不足以抵挡水平载荷时，其余部分将由止推块承受。等效力的垂直分量，使基座受到压缩，降低螺栓所承受的载荷。把等效力放置在螺栓组几何中心，是为了假设螺栓的受力是均匀的，以便进行计算。

1.2.2 等效力矩对基座的作用

作用于机器上的力矩，被称为倾覆力矩，使机座基平面围绕螺栓组中心转动微小的角度，其一侧向上，另一侧向下，上拉一侧的螺栓拉伸量增加，基座的压缩量减小，垫板的受的压应力降低；下压的一侧的螺栓的拉伸减小，基座的压缩量增大，垫板的压应力提高。机座基面与基座间压应力分布发生变化，使得其合力的位置发生了偏移，相对其原来的位置，也是构成一个力矩，与倾覆力矩相平衡。

1.3 螺栓组中心位置的确定

计算螺栓载荷首先要确定螺栓组中心的位置。在对称条件下，基座的几何中心即为螺栓组中心，在不对称情况下，按照平面组合图形形心公式进行螺栓组中心的计算。

1.4 负载作用下的螺栓的载荷分配

为了简化计算，作用于螺栓组中心的等效力的垂直分量使螺栓承受“均匀”的压力，所以可将其平均分配到螺栓上：

式中：n为螺栓的数量。

倾覆力矩的作用下，使螺栓承受了载荷Rj，Rj与回转中心的距离为X，则：

式（1）～式（3）分别为单个螺栓在等效力和倾覆力矩作用下的载荷计算公式。从式（2）可知，倾覆力矩作用下的螺栓载荷仅与螺栓的位置有关，因此要以螺栓组中心为坐标原点，规定螺栓的坐标位置，螺栓拉伸一侧坐标值为正，压缩一侧为负。坐标分正负对载荷的计算数值不变，但表明了载荷的作用方向。

1.5 螺栓和垫板的载荷计算

螺栓总拉力及剩余预紧力的计算式为：

式（4）、式（5）中：F′为螺栓总拉力；F″为剩余预紧力；F0为螺栓的预紧力，预紧力的大小取螺栓保证载荷的70%，虽比JB/T5000-98“重型机械通用计算条件——装备”附录A（提示的附录）提供的数值稍小一些，但已在实船中广泛应用，安全可靠；R为螺栓附加载荷；Cb/(Cb+Cm)为相对刚度，对于使用金属垫圈和不加垫圈的螺栓连接，取0.2～0.3在有限元分析中，加载的应力主要是由这两组集中力求得，然后再在模型上进行加载。

1.6 加载面的确定

相对刚度的取值对计算结果关系甚大。图1为轴向力作用下锥体范围。

图1 轴向力作用下压力锥体范围

有研究采用“柔度系数”来计算螺栓的总载荷，并列出了螺栓和被联结件的柔度系数的计算公式。刚度和柔度互为倒数，可据此写出刚度的计算式：

对于螺栓：Cb=Eb·Ab/Lb；

对于被联结件：Cm=Em·Am/Lm。

式中：Eb、Em分别为螺栓和被联结件的材料的弹性模量；Ab、Am分别为螺栓和被联结件的截面面积；Lb、Lm分别为螺栓和被联结件的计算长度（或者厚度）。

钢材的弹性模量相差无几，螺栓和被联结件的计算长度相等，相对刚度的值主要取决于两者的截面面积。螺栓的截面积是明确的，就是螺杆的面积，被联结件的形状和面积是多种多样的，其截面积如何确定？据有关研究表明，在确定相对刚度时作如下假设：在轴向力作用下，沿截面上变形时均匀，并且在“压力锥体”的范围内扩展（图1）。并给出锥体的锥角的正切值为0.4～0.5。按此，以螺栓的实际数据代入，求得相对刚度的值在0.2～0.3内。

上述讨论对底座的结构分析是有意义的，因为可以从中得到一个认识：倾覆力矩通过螺栓施加在底座垫板上的力，其作用范围只是螺栓四周不大的范围内，具体说相当于“压力锥体”的底面，而不是垫板的全部。这为采用“小面积”加载提供了理论依据。

2 基座结构分析的一般过程

本文以φ56AM3单侧式电动锚绞机焊接基座总成为例，简单介绍了基座结构分析的一般过程（支持负载工况）。

2.1 螺栓受力的计算

集中力（螺栓总拉力及剩余预紧力）的计算具体过程如下：

1）螺栓组中心确定，地脚螺栓布置见图 2。具体计算，如表1所示。

图2 地脚螺栓布置

由于该锚绞机不受轴向力，所以Y方向不受力，故Y坐标值对整体结果没有影响。因此在整个计算中并没有考虑Y坐标值。

表1 集中力的计算

2）螺栓总拉力及剩余预紧力计算，如表2所示。

表2 螺栓总拉力及剩余预紧力计算

3）倾覆力矩对各螺栓的附加载荷、螺栓总拉力及剩余预紧力见表3。

2.2 建立有限元模型

首先根据零件几何形状和载荷的特点，确定适当的分析方案，本例采用三维实体分析。在pro/E中建模（图3），然后导入ANSYS。再在ANSYS中建立加载载荷的“小面积”。

表3 倾覆力矩对各螺栓的附加载荷、螺栓总拉力及剩余预紧力计算

图3 利用pro/E对零件的建模

单元采用三维实体分析的Solid 10node 92，垫板的材料为D36，其杨氏模量取2.06E5MPa，泊松比取0.3。

通过网格划分把几何模型转换为有限元模型，采用“自由网格划分”。划分网格后的有限元模型见图4，可以看出网格密度总体较粗，对于加载的面，网格划分的比较密。

2.3 施加边界条件和求解

施加边界条件就是模拟实际工况，对有限元模型施加约束和载荷。

Solid 10node 92单元具有UX、UY和UZ三个自由度，由于焊接基座的底面是与甲板焊接的，故对底面施加UX、UY和UZ三个约束。

图4 划分网格后的有限元模型

接下来求出加载在“小面积”上的载荷，对有限元模型进行加载。这里采用的是面载荷Pressure（压力）加载于“小面积”上，因为面载荷（pressure）始终垂直于被作用的表面，因此其值的大小为作用于“小面积”上的集中力除以面积。

2.4 计算结果的输出和解读

有限元的解是位移，由位移导出应变和应力等解。该例可以通过ANSYS后处理器，把数值通过云图方式输出。在支持负载工况分析中，用上述加载方法，对垫板以及面板上的48个“小面积”上施加pressure载荷。在后处理器中查询“Nodal Calcs-Total Force Sum”施加于节点上载荷的总和，得到的数值为Fx=-0.1763908×10-8N、Fy=-0.2053639×10-8N、Fz=-189948.2N，其中X、Y方向的力趋近于0，Z方向的力为189948.2N，方向竖直向下，这就与上述分析的X方向的力由摩擦力和止推块抵消（实际加载并未考虑该力）、Y方向（轴向力）所受的力为0，以及Z方向的力189.7974kN相当接近，而且方向一致，足以证明加载方法可以达到预定效果。

分析结果可用图形直观显示，图5为支持负载下基座的von Mises stress（等效应力）云图。图6为支持负载下的位移（Displacement Vector Sum）云图。应力云图表达了结构的应力状况，用以判断各部位是否满足强度条件；位移云图可判断结构的刚度是否满足要求。

图5 支持负载下基座的等效应力云图

图6 支持负载下的 位移云图

[1]纪名刚.机械设计[M].北京:高等教育出版社,1999.

[2]刘鸿文.材料力学[M].北京:高等教育出版社,2000.

[3]Johnson K L.接触力学[M].北京:高等教育出版社,2002.

[3]CCS《钢质海船入级规范》[M].北京:人民交通出版社,2012.

[4]李兆元.锚绞机卷缆筒的载荷计算和结构分析[J].江苏船舶,2010(1):36-39.

Load Calculation and Structural Analysis on Anchor Winch Welding Base

PAN Liang-gao1,XU Quan-zhi2
(1.Navy Representative Office at Aerospace Electromechanical System in Nanjing District,Nanjing 210003,China; 2.CSSC Nanjing Luzhou Machine Co.,Ltd.,Nanjing 210013,China)

The structure for anchor winch welding base is analyzed.The load calculation method of overturning torque's impact on the coupling bolts and welding base is analyzed when the anchor winch is under support load.And the loading method of base structural analysis using ANSYS is discussed.

load calculation; welding base; ANSYS loading method; anchor winch

U664.4

A

潘良高(1965-)，男，高级工程师。主要从事机电监造和研究。