85 000 DWT散貨船錨機基座及下加強結構的設計與強度分析

摘" " 要：本文針對85000DWT散貨船錨機基座及下加強結構的設計，在錨機安全作業(yè)和便于維護的前提下，基于基座結構簡單、下加強結構與原有的船體結構相協(xié)調和易于施工等原則，提出初步設計方案，建立錨機基座及下加強結構的局部有限元模型，分析其在不同工況下結構的受力情況，優(yōu)化設計出滿足不同工況下的錨機基座及下加強結構，可以為后續(xù)類似的錨機設備布置和首部結構設計提供參考。

關鍵詞：散貨船；錨機基座及下加強結構；結構設計；強度分析

中圖分類號：U663.7" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

Design and Strength Analysis of Foundation and Reinforcement for Windlass of 85 000 DWT Bulk Carrier

SUN Xizhi，" ZHANG Di，" CHEN Tingting，" WANG Zhengrui

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.，" Guangzhou 510715， China ）

Abstract： In this paper， with regard to the design of the windlass foundation and reinforcing structure of the 85000 DWT bulk carrier and on the premise that ensures safe operation and ease of maintenance for the windlass， a preliminary design scheme is proposed on basis of such principles as simplified supporting structure， compatibility between the reinforcing structure and the main hull configuration， and construction feasibility. A local finite element model of both windlass foundation and reinforcing structure is developed to analyze stress distribution under various operational conditions. The windlass foundation and reinforecment is designed in an optimized way to operate at different working conditions， which provides valuable reference for future layouts of similar windlass equipment and bow structural design.

Key words： bulk carriers;" windlass foundation and reinforcement;" structure design;" strength analysis

1" " 引言

錨機是船舶的重要舾裝設備，錨機應有效地固定在甲板上，并確?；m合于錨機設備的安全作業(yè)和維護?；淖饔檬沁B接設備與船體結構，下加強結構作為船體原有結構的補充能夠確保設備在作業(yè)時安全穩(wěn)定運行。應根據設備廠家提供的錨機資料、錨泊布置圖以及船體原有的結構布置，合理的設計出滿足不同工況的基座及下加強結構，并使得基座結構盡可能簡單，在錨機使用過程中不會出現干涉，在錨機維護時能有足夠的空間。此外，下加強結構也應與原有的船體結構相協(xié)調且易于施工。

在確定85 000 DWT散貨船錨機設備的選型后，依據設備資料確定初步的基座布置，并參照系泊布置圖和船體結構圖設計出下加強結構。采用有限元軟件建立組合錨機的基座及下加強結構的局部分析模型，依據中國船級社《鋼制海船入級規(guī)范》[1]和IACS《散貨船和油船共同結構規(guī)范》[2]的要求，對基座和下加強結構的局部強度進行直接計算分析[3]。分析不同工況下結構的受力情況，根據分析結果提出設計時的注意事項[4]，優(yōu)化原有的基座及下加強結構，使其結構形式在滿足規(guī)范和使用要求的同時更加簡單合理。

2" " 錨機基座及下加強結構的初步設計

2.1" "錨泊布置圖和錨機設備資料

船舶詳細設計階段，在錨泊布置圖和錨機的樣式確定以后，根據錨機廠家提供的設備資料確定基座面板的初步形式，然后依據錨泊布置圖和相應區(qū)域的船體結構設計出基座面板與甲板之間的連接形式，以及為使基座受力傳遞至船體主要支撐結構而增加的甲板下部加強。

85 000 DWT散貨船的首部組合錨機位于艏樓甲板，其布置如圖1所示，圖示為右舷，左舷對稱，有掣鏈器但沒有附屬于錨機。

組合錨機的樣式三維模型和固定墊片螺栓孔布置圖如圖2所示。組合錨機重量為10.7 t，錨機與基座連接的螺栓孔編號為C1-C5，螺栓規(guī)格為M42，絞車與基座連接的螺栓孔編號為1-6，螺栓規(guī)格為M36，固定墊片周圍設有止推塊。

2.2" "錨機基座及下加強結構的初步設計

由于艏樓甲板具有折角型梁拱，同時錨機與船舶艏向約有56°的夾角，錨機基座的面板則按照系泊布置圖要求在同一水平面內，這些因素使得錨機基座及下加強的設計變得較為復雜，需要綜合考慮的因素也較多?；脑O計既要保證能夠滿足錨機的安全運行，基座的結構也要能夠與當前的船體結構相協(xié)調，確保錨機在運行時船體結構均勻受力避免應力集中，同時確保不產生狹小空間和避免結構間小的夾角以便于施工。

綜合考慮錨機設備資料，如配備的錨鏈直徑為87mm的三級錨鏈，固定墊片、調整墊片的大小以及使用鎖緊螺栓的規(guī)格，止推器的大小和分布。優(yōu)先選取與主船體結構材料相近的板厚材質，便于采購。參考同類型船舶及錨機的基座形式，首先滿足固定墊片和止推塊有足夠空間布置在面板上，按照螺栓孔的位置布置基座的支撐腹板，確保螺栓的安裝和拆卸具有足夠施工空間，得到初步基座樣式?；母拱逑录訌娊Y構先參照船體桁材同種規(guī)格的T型材設置，基座的防傾肘板下加強結構采用與縱骨等高的扁鋼，下加強結構的端部盡可能延伸至船體主要支撐結構并與之連接，同時端部按照船體結構詳細設計節(jié)點要求連接，結構的貫穿與間斷應綜合考慮力的傳遞和施工難易程度。

3" " "組合錨機的工況及載荷

根據規(guī)范要求，需要校核甲板上浪（舷內側和舷外側）、錨機在錨鏈45%的最小破斷強度時的破斷、掣鏈器在錨鏈80%的最小破斷強度時破斷等工況。不同工況時錨機基座的螺栓孔受力分析計算和掣鏈器的受力分析如下。

3.1" "甲板上浪工況

對于船首0.25 L上浪引起的設計載荷，錨機基座的受力應以單獨的載荷工況進行施加，依據規(guī)范要求，基座受力的方向及螺栓布置和符號約定如圖3所示。組合錨機的受力計算結果如表1所示。以錨鏈管中心為局部坐標系原點計算得出螺栓組的中心位置，螺栓組中心及螺栓組的坐標計算如表2所示，螺栓組的受力計算結果如表3所示。

連接錨機與基座的螺栓組的軸向力和，正值為拉力，按照規(guī)范計算公式：

（1）

（2）

（3）

式中：xi，yi為第i個螺栓組到所有N個螺栓組中心的x方向和y方向的坐標，cm。作用力的相反方向為正值；

Ai為螺栓組i的所有螺栓的剖面面積，cm2；

Ix為N個螺栓組x方向的慣性矩，cm4，取為：Ix =ΣAixi2；

Iy為N個螺栓組y方向的慣性矩，cm4，取為：Iy=ΣAiyi2；

Rsi為錨機重量作用在螺栓組i上的靜反力，kN。

作用于螺栓組i的剪切力Fxi和Fyi，以及合力Fi，由下式得到：

（4）

（5）

（6）

式中： C1 為摩擦系數，取 0.5；M 為錨機質量， t；g 為重力加速度，取為 9.81 m/s2；N 為螺栓組數量。

其中： ai為螺栓組中各螺栓的面積；Xi，Yi為螺栓組中各螺栓到局部坐標系原點的x方向和y方向的坐標。

3.2" "錨機在錨鏈最小破斷強度45%的工況

錨機在錨鏈最小破斷強度45%時的破斷工況，錨機配備的直徑為87 mm的三級有檔錨鏈，根據規(guī)范計算得到最小破斷強度約為5 500 kN，計算得到錨機的螺栓組受力結果如表4所示。

3.3" "掣鏈器在錨鏈最小破斷強度80%的工況

掣鏈器在錨鏈最小破斷強度80%時的破斷工況，受力為錨鏈最小破斷力的 80%，破斷力作用點是錨鏈在掣鏈器滾輪的附著點，力的大小為4 400 kN，方向為該附著點與錨鏈筒及甲板平面相貫線中心點連線方向，并指向錨鏈筒。

3.4" "連接螺栓組強度校核

錨機在錨鏈最小破斷強度45%的工況時，螺栓組軸向拉伸力最大位于C1螺栓組，軸向最大拉伸應力F為882 kN。

依據錨機廠家設備資料確定連接螺栓為M42螺栓，性能等級為8.8，螺栓截面面積A為11.20 cm2，許用應力[σ]= 320 MPa。

最大軸向拉伸應力為：

σmax = F/（3A）=262.5 MPa lt; 320 MPa 滿足規(guī)范要求。

4" " 計算模型和分析及基座的優(yōu)化

4.1" "計算模型

計算模型采用局部立體結構模型，規(guī)范要求以基座有效作用平面矩形形心為中心，向四周分別擴展至少一倍的該矩形相對應的長、寬距離。垂向從基座面板擴展至甲板之下的第一個平臺甲板或至少四分之一型深。本計算模型范圍為艏樓右舷部分，縱向從FR249至首部，橫向從左舷3.5 m至右舷，垂向從艏樓甲板至主甲板。模型結構均采用凈尺寸計算，腐蝕余量按照規(guī)范要求設置。全局模型采用網格大小為500×500 mm，基座有效作用范圍內網格大小為100×100 mm，有限元模型如圖4所示。

4.2" "分析計算

通過有限元軟件建立局部模型以后，加載相應的工況。模型在加載時考慮結構模型的自重，肘板等結構未在模型中表達考慮結構自重時增加20%，同時設備的自重也需計入。分析計算后得到各工況下的基座及下加強和船體結構的受力情況，根據分析結果找到對于基座支撐貢獻不大的地方進行優(yōu)化，如圖5所示為甲板舷內上浪工況時螺栓組的模型受力圖和基座及下加強主要區(qū)域的等效正應力的分布云圖。

4.3" "錨機基座的優(yōu)化

綜合分析各工況中基座及結構的受力情況，發(fā)現基座面板在螺栓組附近的應力較大，邊緣應力較小，可以對基座面板的形式進行優(yōu)化。盡可能去除對于錨機支撐作用較小的地方，使得基座形式簡單，通過分析基座的應力分布以及錨機止推塊的位置，綜合考慮結構焊接的施工，得到優(yōu)化前后基座形式如圖6所示?；跋录訌姷慕Y構材料主要使用與主船體一致的普通鋼，在分析的過程中對于應力超出材料許可應力的部位，優(yōu)先采用高強度鋼來替換以減少結構尺寸的變化和重量的增加，如掣鏈器主要支撐的位置。

4.4" "優(yōu)化后工況分析

對優(yōu)化后的基座和下加強結構重新計算，應力值均小于規(guī)范許用值，該基座及下加強結構和連接螺栓強度滿足規(guī)范要求?；拖录訌娊Y構各工況下最大合成應力與許用應力的比較如表5所示，上浪工況時應力最大時的應力云圖如圖7、8所示，錨機基座下加強結構在45%錨鏈最小破斷強度（錨機）工況時應力最大，應力云圖如圖9所示。

掣鏈器下加強結構在80%錨鏈最小破斷強度時錨鏈破斷工況時應力最大，應力云圖如圖10所示。通過對比應力云圖可以發(fā)現優(yōu)化后的基座受力較為合理，優(yōu)化前應力最大值與優(yōu)化后相當，減小基座面板后仍然能夠滿足使用要求。依據掣鏈器下加強結構不同位置出現的最大應力值，對于主要受力的結構采用高強鋼。

5" " 結語

本文簡要介紹了在詳細設計階段根據錨泊布置圖、船體結構圖以及錨機設備廠家提供的資料設計及校核組合錨機基座及下加強結構的步驟，可以為后續(xù)類似的錨機設備布置和首部結構設計提供參考。，錨機基座設計是結構設計輕量化不可或缺的一部分，尤其在設備廠家不提供連接船體結構的基座樣式時，結構專業(yè)自主設計基座是一個反復優(yōu)化的過程。

參考文獻

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