系泊絞車基座及其加強(qiáng)的有限元分析

郭永亮 谷宇

摘 要：系泊絞車作為船舶及海工設(shè)計建造中的重型設(shè)備，對其支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析是十分重要和必要的，現(xiàn)在船東和船檢都要求系泊設(shè)備基座和加強(qiáng)圖需要提交有限元分析報告，文章闡述了如何進(jìn)行建模、定義邊界條件、加載、有限元結(jié)果輸出的衡準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：有限元；建模；邊界條件；加載；衡準(zhǔn)

1 概述

隨著目前船舶的大型化、多功能化等發(fā)展，對系泊設(shè)備要求越來越高，形成了設(shè)計載荷越來越大的情況，如35k散貨船僅120噸，152K穿梭油輪就已經(jīng)為600噸，3D鉆井船項目則為1000噸，增加了支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計難度，因此更需要進(jìn)行有限元分析。為了準(zhǔn)確快速地完成有限元分析，文章對系泊絞車的有限元分析流程作了詳細(xì)介紹。

2 建模

為了使結(jié)果更加準(zhǔn)確，更貼近真實(shí)情況，在進(jìn)行分析時就要對系泊絞車基座及其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，用3D軟件進(jìn)行建模。

2.1 模型坐標(biāo)及范圍

有限元模型的坐標(biāo)系統(tǒng)取右手坐標(biāo)系，且x方向為船體的縱向，以船艏方向為正；y方向為船體的橫向，以船舶縱中線向左舷為正；z方向為船體的垂向，以基線向上為正。縱向范圍取到基座附近的強(qiáng)框或者艙壁位置；橫向范圍取到基座附近的幾道縱骨或艙壁；垂向范圍取到基座以下第二層甲板或平臺。

2.2 模型單元及網(wǎng)格尺寸

一般船體的內(nèi)外板與強(qiáng)框架、縱桁、肋板、平面艙壁桁材、肋骨等的高腹板以及槽型艙壁用板單元模擬。各類板上的扶強(qiáng)材可用梁單元模擬，并考慮偏心的影響，縱桁、肋板上加強(qiáng)筋、肋骨和肘板等主要構(gòu)件的面板和加強(qiáng)筋可用桿單元模擬。在橫向或垂向按縱骨間距或類似的間距劃分，縱向按肋骨間距或類似的間距大小劃分，舷側(cè)也參照該尺寸劃分，網(wǎng)格形狀應(yīng)盡量接近正方形，如圖1所示。

3 邊界條件的設(shè)定

在模型做好以后，應(yīng)對模型邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行約束在模型范圍取到艙壁處時，可以看作為固定約束即TX、TY、TZ、RX、RY、RZ六個方向都固定；如果在模型范圍取到X方向縱骨處時，那么就可以認(rèn)為TX、RY、RZ 三個方向固定，TY、TZ、RX三個方向自由。如圖2所示。

4 加載受力載荷

受力載荷根據(jù)各船級社規(guī)范中對系泊絞車所提及的要求進(jìn)行加載。

以ABS船級社對錨機(jī)的受力要求為例。

（1）需要加載的載荷有：結(jié)構(gòu)模型的自重，設(shè)備的重量；錨鏈的拉力（設(shè)有制鏈器，拉力應(yīng)為錨鏈破斷力的45%，未設(shè)有制鏈器，拉力應(yīng)為錨鏈破斷力的80%）；如果配有制鏈器，制鏈器的加強(qiáng)也需要校核。在模型中加載時可根據(jù)錨機(jī)安裝圖在相應(yīng)的位置上加載，可以加載在節(jié)點(diǎn)上，也可以加載在單元上，還可以根據(jù)錨機(jī)設(shè)備參數(shù)來做一個剛性單元來模擬，如圖3所示。

（2）需要計算的工況（見表1、表2）

5 有限元分析結(jié)果的衡準(zhǔn)

系泊絞車基座及其加強(qiáng)的有限元結(jié)果應(yīng)該根據(jù)各船級社的規(guī)范要求來確認(rèn)強(qiáng)度是否滿足。例如ABS船級社對錨絞車基座及其加強(qiáng)的強(qiáng)度校核要求為：

許用彎曲應(yīng)力：0.85 σyd

許用剪切應(yīng)力：0.6 σyd

σyd材料的最小屈服強(qiáng)度，在文章的事例中所用鋼材為普通Q235鋼，σyd=235Mpa

未設(shè)有制鏈器工況

從圖4和圖5中可看出，文章所舉事例的錨基座及其加強(qiáng)是滿足ABS船級社要求的。

6 結(jié)束語

提高設(shè)計質(zhì)量，永遠(yuǎn)是設(shè)計師追求的目標(biāo)。通過對系泊絞車基座及其加強(qiáng)的有限元分析的介紹，使設(shè)計工作者更加清晰地了解局部有限元分析的流程， 在以后相關(guān)的工作中少走彎路，提高設(shè)計質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]ABS RULES FOR BUILDING AND CLASSING STEEL VESSELS .2012