郦 羽，张海华，蒋武杰，邬 婷

(中国船舶科学研究中心上海分部，上海 200011)

锚绞机支撑结构的强度分析

郦 羽，张海华，蒋武杰，邬 婷

(中国船舶科学研究中心上海分部，上海 200011)

在总结行业标准对船舶锚泊设备支撑结构的相关要求基础上，以中国船级社《钢质海船入级规范》为依据，进行锚绞机支撑结构的设计，基于Patran/Nastran有限元软件对锚绞机支撑结构进行强度分析，结果表明结构满足中国船级社规范的相关强度要求。

锚绞机；锚泊结构；强度；有限元

锚绞机一般布置在船艏艏楼甲板上，主要承受作业以及上浪载荷，要求锚绞机在甲板上的固定以及支撑结构要达到足够的结构强度。为了保证船舶系泊的安全，中国船级社MSC/Circ.1175通函要求必须对系泊设备的支撑结构进行有限元强度分析[1]。

为此，根据中国船级社《钢质海船入级规范》的相关规定，采用Patran/Nastran有限元软件对锚绞机支撑结构进行强度校核。

1 锚绞机支撑结构分析方法

锚绞机属于船上的船用辅机，船上辅机设备较多，分为1类辅机和2类辅机。主发电机、推力轴承、舵机和锚绞机等承受较大的负荷和振动的设备都归为1类辅机，1类辅机以外的设备为2类辅机[2]。

在辅机基座设计时，根据船舶设计手册上辅机基座经验数据查表，确定所设计基座的面板板厚和肘板板厚，完成基座的设计。

根据所设计基座，进行甲板下结构加强。为了确定整个支撑结构设计的合理性，以及强度是否满足船级社规范的要求，最终需要根据锚绞机在不同工况下的受力情况进行强度校核。根据中国船级社《钢质海船入级规范》甲板支撑结构的有限元分析要求进行计算校核[3-4]。

2 锚绞机支撑结构有限元模型

2.1 有限元建模

锚绞机基座是由钢板焊接而成，与甲板焊接连接。甲板下通过型材加强。在建立有限元模型时，通过板(shell)、梁(beam)结合的单元形式对结构进行合理的模拟[5]。甲板下的横梁、纵桁以及下加强的骨材采用T型材，小的骨材采用角钢，连接肘板忽略不计。锚绞机与基座通过螺栓连接，载荷作用效果通过螺栓传递到基座和甲板加强结构上，为了准确模拟出传递到基座上的锚绞机载荷， 在Patran/Nastran中，采用MPC中RBE2单元将力的作用点与7组螺栓位置的节点耦合在一起。其中力的作用点定义为Independent Node，螺栓所在位置的节点定义为Dependent Node[6-7]。在外载荷施加时，加载在作用点上的力就可以传递到基座上的相应节点上。锚绞机支撑结构的有限元模型及MPC约束见图1。

图1 锚绞机支撑结构有限元模型

材料及参数：结构材料采用CCS-A级钢，ρ=7 800 kg/m3,E=206 GPa,μ=0.3。

2.2 边界条件

锚绞机支撑结构模型为船艏的一部分，需要对模型的边界进行约束。对于甲板的边界约束：ux=uy=uz=θz=0；对于甲板下的纵舱壁和横舱壁边界约束：ux=uy=uz=θx=θy=θz=0。

2.3 载荷工况

锚绞机在作业过程中可能遇到多种载荷工况，如作业载荷和上浪载荷。评估基座和支撑结构的强度时应独立施加作业载荷和上浪载荷[8]。

校核基座及支撑结构在作业载荷下的强度时，考虑锚绞机在带掣链器的情况下锚链对锚绞机的作用，取锚链破断强度的45%为设计作业载荷[9-10]。选取焊接锚链，强度等级为3级，锚链直径为36mm，查表得到锚链破断力为1 050kN。锚绞机工作时的受力为垂直于滚筒轴线方向。

作用在锚绞机上的上浪载荷压力和计算面积计算如下。

1)垂直于轴线由船艏向后方向的力为Px。

Px=200Ax

(2)

计算得Px=200×1.43 kN=286 kN。

2)平行于轴线分别作用于舷内和舷外侧，力为Py。

Py=150×Ay·f

(3)

式中：B——平行于轴线的锚绞机计算宽度，m；

H——锚绞机最大高度，m。

其中：f=1+B/H, 但不大于2.5。

f=1+0.795/1.47=1.54

计算得Py=150×2.81 kN=421.5 kN。

因此，对锚绞机受力分3种工况进行分析：工况1，锚链断裂力为45%工况；工况2,舷外上浪工况；工况3，舷内上浪工况。各种工况下，支撑结构和基座的计算应力应不大于表1中的许用值。

表1 许用应力

注：ReH为材料屈服应力，MPa。

3 计算结果及分析

根据建立的有限元模型，按照2.3的载荷工况对锚绞机支撑结构进行强度计算分析。各个工况下的有限元计算结果见表2，各工况下的最大应力分布云图见图2～4。 可以看出，最大应力出现在基座面板上，为203.0MPa；最大剪切应力出现在基座的肘板上，为74.4 MPa。由有限元结算结果可知，锚绞机支撑结构在各个工况下所受的应力都满足强度要求衡准。

表2 有限元计算应力结果 MPa

图2 工况1，锚绞机支撑结构相当应力分布

图3 工况2，锚绞机支撑结构相当应力分布

图4 工况3，锚绞机支撑结构相当应力分布

4 结论

1)锚绞机支撑结构在各种载荷作用下的强度均满足船级社规范的强度衡准要求。

2)锚绞机支撑结构强度分析校核结果，可以作为生产设计和支撑结构优化布置的指导依据。

[1] 中国船级社.钢质海船入级规范[S].北京：人民交通出版社,2009.

[2] 赵耕贤，郑君镐.船舶设计实用手册[M].北京：国防工业出版社.2000.

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[6] 张海华，吴 赞，陈庆强.船体高效舵系统舵结构强度计算方法研究[J].中国造船，2013(3):38-39.

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Strength Analysis of the Supporting Structure of Anchor Winch

LI Yu, ZHANG Hai-hua, JIANG Wu-jie, Wu Ting

(China Ship Scientific Research Center, Shanghai 200011, China)

Based on summary of the industry standard requirements of the supporting structure on anchoring and mooring equipments, the supporting structure is designed in terms of The Rules and Regulations for the Classification of Sea-going Steel Ships, and the strength of the supporting structure is analyzed by FEM in Patran / Nastran. The numerical results show that the strength of the designed structure satisfies the CCS relevant requirements.

anchor winch; anchoring and mooring structure; strength; FEM

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.009

2014-06-03

郦 羽(1987-)，男，硕士，助理工程师

U661.43

A

1671-7953(2015)01-0037-03

修回日期：2014-07-04

研究方向:船舶结构设计

E-mail:liyuhust@126.com