6 200 t起重船錨機基座結構優化分析

章仲怡,王佐強,郭宇禮

(中海油能源發展股份有限公司 清潔能源分公司,天津 300450)

0 引言

錨機是船上用于收放錨及錨鏈的機械設備,是整個錨裝置的重要組成部分。基座是連接設備與船體結構的橋梁,也是保證船舶正常運行的重要結構[1]。錨和錨鏈的集中載荷及甲板上浪載荷容易引起錨機基座及船體支撐結構的強度破壞,特別是錨機基座在靠近螺栓孔附近容易出現應力集中,導致應力較大,不滿足規范要求。張原瑾等[2]對某客滾船錨機基座建立局部結構有限元模型,計算分析得出錨機基座的面板和腹板上接近螺栓孔位置容易出現應力集中現象。章程等[3]以船尾起錨絞車基座及其船體支撐結構作為研究對象,采取增加面板板厚和增加圍護腹板的方法來降低基座面板轉角處的高應力。

本文以6 200 t起重船錨機基座為研究對象,參照中國船級社《鋼質海船入級規范》(2021)(下文簡稱《海規》)[4]中的相關規定,建立了錨機基座和船體支撐結構的有限元模型,研究了3類降低基座面板在螺栓孔附近圓弧處應力的優化方案。

1 主要參數

6 200 t起重船為全焊接結構船,其主尺度如下:總長228.0 m,垂線間長217.0 m,型寬37.3 m,型深19.2 m,設計吃水11.5 m。

本船錨機起錨部分規格具體如下:錨鏈直徑為87 mm(AM3),額定起錨拉力為359.5 kN,額定起錨速度不小于9 m/min,拋錨深度為82.5 m,支持負載為2 473 kN。

2 有限元模型

有限元坐標系取右手坐標系,X方向為船體的縱向,向船首方向為正;Y方向為船體的橫向,向左舷為正;Z方向為船體的垂向,向上為正。

有限元模型的范圍:錨機基座、艏樓甲板、縱向范圍Fr197～Fr215。艏樓甲板下橫艙壁板、甲板縱桁、強橫梁、普通橫梁包括在模型中。甲板、橫縱艙壁板、錨機基座等結構用板單元模擬,甲板縱桁、甲板強橫梁、艙壁垂直桁腹板用板單元模擬,面板用梁單元模擬,其他小的骨材用梁單元模擬[5]。錨機基座有限元模型見圖1。

圖1 錨機基座有限元模型(仰視)

有限元模型的材料參數:錨機基座、甲板結構材料為普通235鋼,其彈性模量為2.06×105MPa,泊松比為0.3。

模型邊界條件為船中約束Uy、Rx、Rz方向,其余邊界約束Ux、Uy、Uz方向。模型邊界條件見圖2。

圖2 有限元模型邊界條件

3 工況及載荷

根據《海規》第2篇第3章第7節的相關規定,計算工況一般包括45%的錨機錨鏈破斷強度時載荷和甲板上浪載荷,其中上浪載荷分為舷內和舷外2個方向進行校核。3個計算工況如下:

LC1:錨鏈破斷工況;LC2:上浪工況(指向舷內);LC3:上浪工況(指向舷外)。

錨鏈的破斷力為5 500 kN,對于錨機下甲板加強結構的強度校核,取45%的破斷力,錨鏈與水平的交角為11°。錨機甲板上浪載荷根據《海規》第2篇第3章第2節的相關規定計算。

模型載荷加載時,將計算出的螺栓力載荷配置在各個螺栓孔位置[6]。

4 結果分析

4.1 許用應力

根據《海規》第2篇第3章第7節的相關規定,錨機基座和甲板支撐結構的計算應力應不大于以下的許用值:合成應力235 MPa,剪切應力141 MPa,軸向應力235 MPa。

4.2 計算結果

錨機基座及船體支撐結構在各工況下的計算結果見表1,各工況下的合成應力云圖見圖3。

表1 各工況下最大應力匯總 單位:MPa

從計算結果可知,錨機基座的船體支撐結構最大應力均小于許用值,滿足規范要求,而基座面板在螺栓孔附近圓弧處出現應力超過許用值的現象,且出現在甲板上浪(舷外)工況。因此,需要對該處結構進行局部優化,以滿足強度要求。

5 優化方案及結果分析

為了使基座面板在螺栓孔附近的圓弧處應力能夠滿足規范要求,研究了表2中的3類優化方案。各優化方案變量示意圖見圖4。

表2 優化方案匯總 單位:mm

t—板厚;R—圓弧半徑;d—自由邊距離。

3類優化方案基座面板計算結果見圖5～圖7。3類優化方案基座面板計算結果匯總見表3。

表3 優化方案應力匯總 單位:MPa

圖5 基座面板應力云圖(增加板厚)(單位:MPa)

圖6 基座面板應力云圖(增加圓弧半徑)(單位:MPa)

圖7 基座面板應力云圖(增加自由邊距離)(單位:MPa)

從表3可以看出:

(1)增加板厚可降低基座面板圓弧處的應力,但是隨著板厚的增加,應力降低幅值越來越小。

(2)基座面板圓弧半徑的增大可以降低該處的應力值。圓弧半徑越大,應力降低幅值越大。

(3)增大開孔自由邊距離可以降低基座面板圓弧處的應力值。將距離由40 mm改為90、140 mm時,應力值大幅下降,且距離越遠降幅越大。但是,將距離增大至190 mm時,圓弧處的應力值反而變大了,這主要是由于該距離下的圓弧離另外一個螺栓較近導致的。

為使基座面板圓弧處的應力值滿足規范要求,本船可選擇將面板板厚增加2 mm、將圓弧半徑增大至110 mm,或者將開孔自由邊距離增大至140 mm。增加面板板厚對基座的成本控制不利,將開孔自由邊距離增大需要特別注意螺栓的位置,不能使圓弧距離螺栓太近。綜合來說,增大圓弧半徑至110 mm可將圓弧處應力值由258.6 MPa降低至223.1 MPa,滿足規范要求,同時也是3類優化方案中比較經濟、便捷的方案。

6 結論

(1)根據計算結果,錨機基座面板在螺栓孔附近圓弧處在甲板上浪(舷外)工況時應力較高,不滿足規范要求。

(2)通過增加基座面板板厚、增大圓弧半徑和開孔自由邊距離,均可以不同程度地將圓弧處的應力降低,使其滿足規范要求。

(3)通過對比分析,隨著板厚的增加,應力降低幅值越來越小;而隨著增大圓弧半徑和增大開孔自由邊距離,應力降低幅值則越來越大。

(4)對比3類優化方案,增大圓弧半徑是降低圓弧處應力比較經濟、便捷的方案。