游艇錨機支撐結構強度分析及結構改進

楊敬東，黃云濤，趙 登

（重慶交通大學 航運與船舶工程學院，重慶 400074）

0 引言

游艇常用于載運大量旅客進行水面觀光和旅行，保障游艇的安全性能尤為重要。作為船舶最為重要的設備之一，錨泊設備主要由錨機、掣鏈器以及承接錨機的基座及甲板支撐結構等組成。在拋錨時，雖有掣鏈器控制錨鏈的運動，但由于錨機的自重較大，振動較強，其支撐結構的強度往往無法滿足要求。因此，錨機支撐結構的局部強度是船舶結構安 全性校核的重點之一。在進行強度校核時，通常采用有限元方法對結構在不同作業工況下的應力響應進行直接計算[1-3]。本文依據中國船級社（China Classification Society，CCS）《國內航行海船建造規范》[4]的相關要求，借助有限元軟件 MSC Patran/Nastran 分析不同工況下的結構響應，并根據應力分布特點對結構進行適當改進，以實現增強結構強度、提升安全性的目的。

1 有限元分析

有限元分析步驟包括前處理、求解和后處理，其中，前處理包括構建幾何模型、劃分網格、定義單元和材料，求解部分包括定義載荷和約束條件、設定求解項，后處理包括常規后處理和特殊處理。

1.1 前處理

1.1.1 幾何模型的構建

模型采用右手坐標系，以艏部方向為x 軸正向，以垂直于中軸線并指向左舷的方向為y 軸正向，以豎直向上為z 軸正向。依據規范要求選取模型范圍，縱向上選取FR77～FR86 部分，橫向上選取距船中1 500 mm 內的部分，垂向上選取整個型深范圍內的部分。

1.1.2 網格劃分

在劃分網格之前，應先分析模型并確定單元類型。本文計算模型主要包括甲板、甲板下強橫梁、甲板縱桁、短縱桁、甲板縱骨、縱橫艙壁、錨鏈筒、扶強材、船底板、強肋骨及實肋板，模型中未計入普通肘板。所有甲板、艙壁板、船底板、錨鏈筒及其強構件腹板均選用板殼單元。為構建準確的有限元模型，保證求解精度，板殼單元主要為四邊形，在連接處或幾何特征變化較大的位置采用適當三角形單元進行過渡。所有強構件面板、甲板縱骨、錨鏈口處半圓鋼、艙壁扶強材可選用梁單元進行模擬，掣鏈器和錨機均選用多點約束（Multi-Point Constraint，MPC）進行模擬[5-7]。本文單元長度取50～100 mm。

1.1.3 材料定義

本船結構均采用普通鋼材，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，密度為7.85×103kg/m3，屈服強度為235 MPa。

本文分析基于線彈性理論，模型中的構件取建造厚度，將材料屬性賦予相應的單元。整體支撐結構有限元模型，甲板下支撐結構有限元模型，支撐結構甲板下強橫框架、橫艙壁及甲板縱桁有限元模型，支撐結構甲板下縱艙壁有限元模型分別見圖1～圖4。

圖1 整體支撐結構有限元模型

圖2 甲板下支撐結構有限元模型

圖3 支撐結構甲板下強橫框架、橫艙壁 及甲板縱桁有限元模型

圖4 支撐結構甲板下縱艙壁有限元模型

1.2 求解

1.2.1 邊界條件

模型的邊界約束條件可考慮自由支持或固支，本例模型邊界約束條件見表2，施加邊界約束條件后的模型見圖5。

表2 模型邊界約束條件

圖5 施加邊界約束條件后的模型

1.2.2 載荷計算與施加

游艇長48.88 m，根據規范要求，在計算時只需考慮作業載荷，不考慮上浪載荷。錨機及掣鏈器受力示意圖見圖6，其中，F1和F2分別表示錨機受力和掣鏈器受力。錨機作業時，作用力通過錨鏈直接傳遞至錨機和掣鏈器，然后再經過錨機和掣鏈器底座傳遞至甲板支撐結構。根據規范要求，強度評估計算需要考慮設計載荷和作業載荷。

圖6 錨機及掣鏈器受力示意圖

游艇選用直徑為22 mm 的Q2 級錨鏈，其最小破斷負荷為129 kN。根據規范要求，計算時需要考慮以下4 種工況：1）錨機（帶掣鏈器）工況；2）錨機（不帶掣鏈器）工況；3）掣鏈器工況；4）錨機制動器+掣鏈器工況。各工況詳細情況見表3。

表3 計算工況

對于工況1、工況3 和工況4，掣鏈器受力沿著錨鏈筒方向，將力在x 軸和z 軸方向進行分解，分別表示為Fx和Fz。對于工況1，Fx=42 455.082 N， Fz=39 590.005 N；對于工況3，Fx=75 475.702 N， Fz=70 382.231 N；對于工況4，Fx=163 823.229 N，Fz=152 767.633 N。錨機及掣鏈器受力加載圖見圖7。

圖7 錨機及掣鏈器受力加載圖

2 應力結果分析

2.1 強度衡準

根據規范要求，將板單元的von Mises 應力、梁單元的正應力和梁單元的切應力與相應許用應力對比，以此評估結構強度是否滿足要求[8]。本船校核區域采用普通鋼材料，其屈服強度為235 MPa，安全系數取為1。各構件許用應力情況見表4。

表4 各構件許用應力

2.2 結果分析

各工況甲板下板單元相當應力云圖見圖8～圖11。將各工況下板、梁單元應力計算結果與各單元的許用應力值進行對比，結果見表5。

表5 應力計算結果對比

圖8 甲板下板單元相當應力云圖（工況1）

圖9 甲板下板單元相當應力云圖（工況2）

圖10 甲板下板單元相當應力云圖（工況3）

圖11 甲板下板單元相當應力云圖（工況4）

由表5 可知：各工況下板單元的最大相當應力為217.0 MPa，小于許用應力235.0 MPa；梁單元的最大正應力為46.7 MPa，小于許用應力235.0 MPa； 梁單元的最大切應力為23.3 MPa，小于許用應力 141 MPa。各工況下單元應力計算結果均小于規范要求的許用值，證明本船錨機及掣鏈器支撐結構的強度滿足規范要求。

最大應力出現在工況4 掣鏈器下方的甲板短縱桁上，且出現了應力集中現象。經分析可知：1）僅錨機受力，且受力方向平行于x 軸時，結構應力分布均勻，未出現應力集中現象；2）當掣鏈器參與受力時，結構應力值發生變化，且應力集中現象明顯。掣鏈器與甲板之間有一定距離，在工況1、工況3和工況4 的情況下，掣鏈器會受到z 向彎矩。由于結構靠近錨機一側為固定約束，此時甲板下方短縱桁相當于懸臂梁結構，當掣鏈器所受彎矩傳遞到甲板下方支撐結構時，甲板下方短縱桁出現應力集中現象。為確保安全，在設計時應對支撐結構進行相應改進。

3 結構改進

3.1 緩解應力集中

應力集中現象易造成結構失效，在設計和加工過程中應盡量減小應力集中程度。在加工工藝方面，可采取局部強化措施來提高應力集中處的材料疲勞強度，進而降低應力集中的危害。在結構設計方面，可采取以下3 種措施：

1）對于變截面結構，過渡區域可適當增大圓角半徑，使該區域接近于流線型。

2）對于需要開孔的結構，可根據零件的受力方向和位置選擇合適的開孔部位。一般情況下，應在低應力區開孔，若必須在高應力區開孔，則應采取補強措施。當孔為橢圓形時，其長軸應與主應力方向平行。

3）在應力集中區域附近的低應力部位增設缺 口和圓孔，該措施可使應力流線平緩，進而降低應力峰值[9-12]。

3.2 改進方案

經分析可知，當掣鏈器受載時，垂向彎矩傳遞到甲板下方支撐結構，甲板短縱桁出現應力集中現象。為緩解應力集中現象，本文從設計方面提出如下改進方案：

1）加大甲板下方短縱桁的腹板厚度，將原設計厚度6 mm 改為8 mm。

2）加大甲板下方短縱桁的腹板厚度，將原設計厚度6 mm 改為10 mm。

3）為保證力的有效傳遞，將短縱桁與橫艙壁和甲板下方橫梁采用肘板連接，肘板厚度為6 mm，具體形狀和尺寸見圖12，肘板布置情況見圖13。

圖12 肘板示意圖

圖13 肘板布置圖

3.3 有效性評估

不同改進方案的應力響應情況見表6～表8，不同改進方案的應力云圖見圖14～圖16。

圖14 方案1 應力云圖

圖15 方案2 應力云圖

圖16 方案3 應力云圖

表6 方案1 應力響應情況

表7 方案2 應力響應情況

表8 方案3 應力響應情況

對比圖14～圖16 可知，方案1～方案3 均可有效減小結構的應力值，并提高結構的安全性。方案1 和方案2 分別將甲板下方短縱桁腹板厚度由原來 6 mm 增加至8 mm 和10 mm，雖能減小應力，但應力分布并不均勻，且短縱桁腹板厚度的增加會導致結構變重，不利于節約鋼材和能耗。相比之下，方案3 在原短縱桁與橫艙壁和甲板橫梁連接處分別增設厚度為6 mm 的肘板，不僅能大幅減小結構的應力值，還能有效緩解應力集中問題，并提升結構的安全性，且具有消耗鋼材少，便于施工的優點。

4 結論

本文依據CCS 相關規范，對48 m 游艇錨機支撐結構建立有限元模型，并校核其局部強度。針對結構出現的應力集中現象，提出相應改進方案，最終得到以下結論：

1）4 種作業載荷工況下，板單元、梁單元的最大應力均小于許用應力，結構強度均滿足規范要求，但個別工況存在應力集中現象。

2）針對應力集中現象，分別提出3 種改進方 案。相較于方案1 和方案2，方案3 在短縱桁和橫艙壁和甲板橫梁連接處增設肘板，不僅能大幅減小應力，緩解應力集中情況，而且對鋼材的節約和提升燃油經濟性作用巨大，可為后續類似結構的設計提供一定參考。