ST OFFSHORE 錨三維建模及有限元分析

雷 林，王智祥，張 敏，張國鵬

(1.重慶交通大學重慶市特種船舶數字化設計與制造工程技術研究中心，重慶400074;2.重慶鵬祥船舶工業有限公司，重慶400021)

隨著海洋工程的發展出現了很多新型工程船舶和海洋結構物。比如海底鋪纜(管)船、起重船、挖泥船、石油鉆井平臺和采油平臺等，傳統意義上的錨已完全不能適應這些海上浮體的系泊需要。因而新型的、穩定的和抓力強大的錨逐漸產生并發展運用以適應各種海上工程環境下系泊船和海洋結構物的要求［1］。

目前使用的錨已有幾十種之多，但無論何種型式的錨，其抓力越大、抓土效率越高(錨從入水到抓土達到穩定的時間越短，則稱其抓土效率越高)、穩定性和安全可靠性越高，則錨的性能就越好，ST/STS OFFSHORE錨系列正是為了達到上述優越的性能由重慶交通大學和重慶鵬祥船舶工業有限公司聯合開發開發出來。傳統意義上的錨多為鑄鋼錨，而本錨一改傳統思維，其錨爪采用焊接結構形式，其最大的特點不僅在于便于制造，而更可以通過比鑄造靈活的焊接結構，實現很多鑄鋼錨無法滿足的功能設計。

開發一種錨，傳統的方法是由設計人員按經典力學簡化計算并制作草圖，工廠試做樣品，把錨放置于拉力機上做拉力試驗，進行深海拋錨試驗，然后經過客戶的不斷的使用，反饋和改進，最后得到一個成熟的產品。然而由于傳統的方法具有周期長(有時達數10 a)，成本高(需要反復進行試驗)等特點，已經不能適應現代船舶和海洋工程事業的需要。有限元分析作為現代工程技術領域進行科學計算的一種極為重要的方法［2］，可以獲得幾乎任意復雜工程結構的各種機械性能信息，還可以就工程設計進行評判和優化，對各種工程事故進行技術分析，因而在船舶和海洋工程領域得到了廣泛的應用。

筆者采用這種有限元分析方法，以Pro/E作為三維建模工具，并將完成的三維模型導入ANSA生成簡化后的有限元模型，最后應用有限元軟件Abaqus對該模型進行結構強度分析。

1 ST OFFSHORE錨建模及材料性能

大抓力錨整體結構比較復雜，其中如一些筋板等對整體結構的強度有著重要作用，而象一些倒角、小圓孔等則對錨結構的強度影響不大，故在進行有限元分析的建模過程中對錨整體結構進行了相應的等效簡化處理。由于只作結構計算，本模型去掉了起平衡作用的2個穩定鰭，因為它對整個構件的受力影響非常小，去掉它可以加快運算的速度。根據大抓力船用錨結構特點，采用特征建模(Feature)方法，應用PRO/E軟件可方便地實現大抓力船用錨幾何特征的建模［3］。創建如圖1～圖3所示的大抓力船用錨有限元分析的實體模型［4］。

圖1 錨桿及錨卸扣實體模型Fig.1 Shank and shackle

圖2 錨爪與連接銷實體模型Fig.2 Fluke and pin

圖3 ST OFFSHORE型大抓力錨裝配效果圖Fig.3 ST OFFSHORE anchor mode

材料:錨爪和錨桿選用船級鋼AH36，彈性模量E=210 GPa，泊松比為0.3，屈服應力最小值為355 MPa;卸扣和銷選用ZG200－400，彈性模量E=210 GPa，泊松比為0.3，屈服應力最小值為355 MPa。實驗溫度定為常溫即20℃。

2 有限元分析計算

2.1 網格生成

考慮到實體模型非常龐大，內部筋板眾多，結構較為復雜，故采用國外專業的前處理軟件ANSA提供分析所需要的網格［5］。ANSA劃分的網格模型中:錨桿28 786個面單元，43 132個體單元，如圖4、圖5所示;錨爪28 880個面單元，44 189個體單元，如圖 6、圖 7所示。將 ANSA的網格模型倒入ABAQUS，并進行裝配及定義銷連接，如圖8。

圖4 錨桿透明網格Fig.4 Clear mesh mode of shank

圖5 錨桿及錨卸扣網格模型Fig.5 Shank and fluke mode

圖6 錨爪透明網格Fig.6 Clear mesh mode of fluke

圖7 錨爪面、體網格Fig.7 Mesh of fluke

圖8 ABAQUS網格模型Fig.8 ABAQUS mesh mode

2.2 邊界條件

確定有限元邊界條件是建立有限元分析模型的重要一環，合理確定有限元模型的邊界條件是成功的進行結構有限元分析的基本要求。一般情況下，建立對象的邊界條件是明確的，根據力學模型的邊界條件可以很容易確定其有限元模型的邊界條件，如結構工程中的各種框架、鋼架等。但是在機械、水土等工程中，需研究的建模對象往往是整個結構中的一部分，在建立其有限元確定邊界條件時，必須考慮結構其余部分的影響。這方面主要涉及兩個問題:邊界位置的確定和邊界條件的確定［6］。

根據船級社船錨的驗證試驗規定:驗證載荷必須施加于錨臂或錨掌的某一點上，該點位于自錨爪尖端至錨冠中心的1/3距離處。

因此大抓力錨工作時的工況:自錨爪尖端至錨冠中心的1/3距離處全部約束了自由度，且僅對錨爪正平面進行面約束。大抓力錨的邊界約束條件的建立如圖9，加載情況首先耦合錨卸扣接觸圓柱面到其圓心一點，具體情況則分為以下2種工況進行詳細描述。

圖9 大抓力錨的約束Fig.9 Boundary conditions of H H P anchor

2.3 有限元結果分析

2.3.1 實際工況：拉伸試驗機的正常工況

各船級社規范對于錨的驗證試驗均作出規定:對于大抓力錨，取該錨實際質量的1.33倍的公稱質量。對于15 t的大抓力錨，查各船級社規范可得，驗證載荷應為1 520.0 kN。

該工況與船錨在海底工作以及提升船錨基本一致。載荷加載值為驗證載荷1 520.0 kN，方向為真實環境下的鐵鎖鏈方向，即錨卸扣中心點(加載荷點)與整個船錨重心相連接而成的直線上，如圖10［7］。

圖10 正常工況下載荷加載方向Fig.10 Proof test load directions

在具體的分析中，船錨整體坐標以重心為原點，錨爪正平面為x、y軸，垂直于x－y平面的為z軸(黃色箭頭為x方向)。故正常工況下力的方向需分解成整體坐標下y、z兩個方向的力。

在此工況下，加載方向與x、y平面所成銳角為41°，分解到y軸的力為:

FY=1 520 000 cos41=1 147 159 N;分解到z軸的力為Fz=1 520 000 sin41=997 210 N，如圖11。

圖11 載荷加載分解方向示意圖Fig.11 Analysis of the frame of reference

利用ABAQUS軟件對所建立的有限元模型進行計算，得出在該受力工況下的應力圖及變形圖，如圖12～圖17。

圖12 錨整體等效應力云圖Fig.12 The equivalent stress of the whole anchor

圖13 錨整體等效變形云圖Fig.13 The equivalent deformation of the whole anchor

圖14 錨卸扣應力云圖Fig.14 Equivalent stress of the shackle

圖15 錨卸扣變形云圖Fig.15 Equivalent deformation of the shackle

圖16 銷應力云圖Fig.16 Equivalent stress of the pin

圖17 銷變形云圖Fig.17 Equivalent deformation of the pin

從圖18～圖19可以看出，錨爪應力最大為133.9 MPa，位于錨爪中的耳環內板的前端背面處，且成對稱分布，錨爪等形最大值為12.677 mm，船錨材料采用AH36，其強度極限σs=355 MPa，船錨最大應力σmax=133.9 MPa考慮船錨的重要性，應該有較大的強度儲備，故取安全系數ns=2，則其許用應力:可見σmax<［σ］，船錨的強度滿足使用要求。該工況與拉伸試驗機的正常工況(實際工況)基本一致。

2.3.2 極限工況

載荷加載值為極限載荷，采取錨總重量的30倍，FU=15 000×30×10=450 000 N。在此工況下，加載方向與x、y平面所成銳角為41°，分解到y軸的力為FY=4 500 000 cos41=3.396 2 E+006 N;分解到z軸的力為Fz=4 500 000 sin41=2.952 27 E+006 N，利用ABAQUS軟件對所建立的有限元模型進行計算，得出在該受力工況下的應力圖及變形圖，如圖18～圖23。

圖18 錨整體等效應力云圖Fig.18 Equivalent stress of whole anchor

圖19 錨整體等效變形云圖Fig.19 Equivalent deformation of whole anchor

圖20 錨卸扣應力云圖Fig.20 Equivalent stress of shackle

圖21 錨卸扣變形云圖Fig.21 Equivalent deformation of shackle

圖22 銷應力云圖Fig.22 Equivalent stress of pin

圖23 銷變形云圖Fig.23 Equivalent deformation of pin

從圖18～圖23可以看出，錨最大應力為345.9 MPa，位于錨爪中的耳環內板前斷端處。接近船錨的材料極限強度σs=355 MPa，錨的最大變形位移為11.8 mm(一方向)，位于錨桿錨卸扣處和錨爪錨冠自由端;錨卸扣的最大應力284.7MPa，在錨卸扣的上端圓弧及兩個扣環空內;最大變形為0.676 mm;錨卸扣的材料為ZG200－40，如果屈服應力達到σs=295 MPa，則錨卸扣該工況下基本滿足強度極限;連接銷的最大應力為218.1MPa，最大變形為0.0907 mm，連接銷的材料為ZG200－400，如果屈服應力能達到σs=295 MPa，該工況下連接銷能滿足材料強度極限。

3 結論

有限元分析結果見表1。

表1 15 000 kg ST OFFSHORE Anchor最大應力和形變Tab.1 The maximum stress and deformation of 15 000 kg anchor

計算結果表明，該錨在規定載荷和極限載荷情況下結構強度都能夠滿足要求，設計合理。實際中ST OFFSHORE錨500～30 000 kg系列均進行了有限元分析，計算結果表明，ST OFFSHORE錨系列在規定載荷和極限載荷情況下結構強度都能夠滿足要求。

參考圖13，可得錨有限元分析的整體變形值12.67 mm。在驗船師見證下，將錨置放于拉力機上，按理論方向加載1 520 kN拉力，穩定后進行測量，測得錨整體彈性變形量為13.5 mm。兩者比較后的差值為13.5－12.67=0.83 mm。表明有限元計算的結果具有較大可信度。

［1］雷林.CMIC新型三角大抓力錨［J］.國際船艇，2002(7):36－37.

［2］康國政.大型有限元程序的原理、結構與使用［M］.成都:西南交通大學出版社，2004.

［3］方建軍.機械動態仿真與工程分析——Pro/e工程應用［M］.北京:化學工業出版社，2004.

［4］李平書，嚴家文，任鴻.船舶結構有限元模型快速生成研究［J］.船舶，2007(4):52－60.

［5］王慶五.ANSYS 10.0機械設計高級應用實例［M］.(2版).北京:機械工業出版社，2006.

［6］馮琦，楊啟.絞吸式挖泥船拋錨桿系統強度設計分析［J］.造船技術，2005(5):30－33.

［7］汪宏，劉安來.船體起錨機強度的有限元分析［J］.江蘇科技大學學報:自然科學版，2008，22(3):1－4.