章仲怡,王佐强,郭宇礼

(中海油能源发展股份有限公司 清洁能源分公司,天津 300450)

0 引言

锚机是船上用于收放锚及锚链的机械设备,是整个锚装置的重要组成部分。基座是连接设备与船体结构的桥梁,也是保证船舶正常运行的重要结构[1]。锚和锚链的集中载荷及甲板上浪载荷容易引起锚机基座及船体支撑结构的强度破坏,特别是锚机基座在靠近螺栓孔附近容易出现应力集中,导致应力较大,不满足规范要求。张原瑾等[2]对某客滚船锚机基座建立局部结构有限元模型,计算分析得出锚机基座的面板和腹板上接近螺栓孔位置容易出现应力集中现象。章程等[3]以船尾起锚绞车基座及其船体支撑结构作为研究对象,采取增加面板板厚和增加围护腹板的方法来降低基座面板转角处的高应力。

本文以6 200 t起重船锚机基座为研究对象,参照中国船级社《钢质海船入级规范》(2021)(下文简称《海规》)[4]中的相关规定,建立了锚机基座和船体支撑结构的有限元模型,研究了3类降低基座面板在螺栓孔附近圆弧处应力的优化方案。

1 主要参数

6 200 t起重船为全焊接结构船,其主尺度如下:总长228.0 m,垂线间长217.0 m,型宽37.3 m,型深19.2 m,设计吃水11.5 m。

本船锚机起锚部分规格具体如下:锚链直径为87 mm(AM3),额定起锚拉力为359.5 kN,额定起锚速度不小于9 m/min,抛锚深度为82.5 m,支持负载为2 473 kN。

2 有限元模型

有限元坐标系取右手坐标系,X方向为船体的纵向,向船首方向为正;Y方向为船体的横向,向左舷为正;Z方向为船体的垂向,向上为正。

有限元模型的范围:锚机基座、艏楼甲板、纵向范围Fr197～Fr215。艏楼甲板下横舱壁板、甲板纵桁、强横梁、普通横梁包括在模型中。甲板、横纵舱壁板、锚机基座等结构用板单元模拟,甲板纵桁、甲板强横梁、舱壁垂直桁腹板用板单元模拟,面板用梁单元模拟,其他小的骨材用梁单元模拟[5]。锚机基座有限元模型见图1。

图1 锚机基座有限元模型(仰视)

有限元模型的材料参数:锚机基座、甲板结构材料为普通235钢,其弹性模量为2.06×105MPa,泊松比为0.3。

模型边界条件为船中约束Uy、Rx、Rz方向,其余边界约束Ux、Uy、Uz方向。模型边界条件见图2。

图2 有限元模型边界条件

3 工况及载荷

根据《海规》第2篇第3章第7节的相关规定,计算工况一般包括45%的锚机锚链破断强度时载荷和甲板上浪载荷,其中上浪载荷分为舷内和舷外2个方向进行校核。3个计算工况如下:

LC1:锚链破断工况;LC2:上浪工况(指向舷内);LC3:上浪工况(指向舷外)。

锚链的破断力为5 500 kN,对于锚机下甲板加强结构的强度校核,取45%的破断力,锚链与水平的交角为11°。锚机甲板上浪载荷根据《海规》第2篇第3章第2节的相关规定计算。

模型载荷加载时,将计算出的螺栓力载荷配置在各个螺栓孔位置[6]。

4 结果分析

4.1 许用应力

根据《海规》第2篇第3章第7节的相关规定,锚机基座和甲板支撑结构的计算应力应不大于以下的许用值:合成应力235 MPa,剪切应力141 MPa,轴向应力235 MPa。

4.2 计算结果

锚机基座及船体支撑结构在各工况下的计算结果见表1,各工况下的合成应力云图见图3。

表1 各工况下最大应力汇总 单位:MPa

从计算结果可知,锚机基座的船体支撑结构最大应力均小于许用值,满足规范要求,而基座面板在螺栓孔附近圆弧处出现应力超过许用值的现象,且出现在甲板上浪(舷外)工况。因此,需要对该处结构进行局部优化,以满足强度要求。

5 优化方案及结果分析

为了使基座面板在螺栓孔附近的圆弧处应力能够满足规范要求,研究了表2中的3类优化方案。各优化方案变量示意图见图4。

表2 优化方案汇总 单位:mm

t—板厚;R—圆弧半径;d—自由边距离。

3类优化方案基座面板计算结果见图5～图7。3类优化方案基座面板计算结果汇总见表3。

表3 优化方案应力汇总 单位:MPa

图5 基座面板应力云图(增加板厚)(单位:MPa)

图6 基座面板应力云图(增加圆弧半径)(单位:MPa)

图7 基座面板应力云图(增加自由边距离)(单位:MPa)

从表3可以看出:

(1)增加板厚可降低基座面板圆弧处的应力,但是随着板厚的增加,应力降低幅值越来越小。

(2)基座面板圆弧半径的增大可以降低该处的应力值。圆弧半径越大,应力降低幅值越大。

(3)增大开孔自由边距离可以降低基座面板圆弧处的应力值。将距离由40 mm改为90、140 mm时,应力值大幅下降,且距离越远降幅越大。但是,将距离增大至190 mm时,圆弧处的应力值反而变大了,这主要是由于该距离下的圆弧离另外一个螺栓较近导致的。

为使基座面板圆弧处的应力值满足规范要求,本船可选择将面板板厚增加2 mm、将圆弧半径增大至110 mm,或者将开孔自由边距离增大至140 mm。增加面板板厚对基座的成本控制不利,将开孔自由边距离增大需要特别注意螺栓的位置,不能使圆弧距离螺栓太近。综合来说,增大圆弧半径至110 mm可将圆弧处应力值由258.6 MPa降低至223.1 MPa,满足规范要求,同时也是3类优化方案中比较经济、便捷的方案。

6 结论

(1)根据计算结果,锚机基座面板在螺栓孔附近圆弧处在甲板上浪(舷外)工况时应力较高,不满足规范要求。

(2)通过增加基座面板板厚、增大圆弧半径和开孔自由边距离,均可以不同程度地将圆弧处的应力降低,使其满足规范要求。

(3)通过对比分析,随着板厚的增加,应力降低幅值越来越小;而随着增大圆弧半径和增大开孔自由边距离,应力降低幅值则越来越大。

(4)对比3类优化方案,增大圆弧半径是降低圆弧处应力比较经济、便捷的方案。