掣链器基座及其支撑结构的有限元分析

摘 要：针对掣链器基座及其支撑结构的强度会影响船舶安全性以及国内尚没有与掣链器强度计算相关文献的情况，以某型号供油船的滚轮闸刀掣链器为对象，基于Patran & Nastran有限元软件对掣链器基座及其支撑结构进行了有限元分析，确定了结构设计的合理性和安全性，提出了结构优化设计的设想，并为掣链器的强度直接计算提供了重要的参考依据。

关键词：掣链器；Patran；有限元分析

Abstract: There is no references about the FEA of anchor stopper in China that focus on the effects of the strength of anchor stopper base and its support structure on the ship security situation. By taking a certain type of bunker tanker’s chain stopper as the object controller, this paper carries out finite element analysis based on the finite element software Patran & Nastran for stopper base and its support structure, determines the rationality and safety of structural design, and puts forward the structural design optimization ideas and provides an important reference for the strength calculation of chain stopper.

Key words: Chain Stopper; Patran; FEA

1 引言

在传统的设计中，对船舶机械设备在船舶上的固定以及相关设备的支撑结构均是按结构力学和材料力学理论进行经验类比设计，难以满足设计要求。 随着有限元技术的发展和其在船舶工程上的应用，设计工程师可以运用有限元软件对所设计的结构进行强度和刚度计算，进而根据计算结果对结构进行改进，节省了设计时间和避免了因不当设计而造成的重大损失[1]。

掣链器位于锚机与锚链筒之间的甲板上，用以夹住锚链。抛锚后，闸上掣链器，可将锚链的拉力传给船体，使锚机不处于受力状态；航行时，掣链器承受锚和部分锚链的重力，并将收到锚链筒内的锚贴紧船体，不致发生撞击[2]。因此，掣链器基座及其支撑结构所承受载荷力很大，其结构设计的合理性直接关系到船舶的安全性能。

近年来，中国船级社（CCS）在相关规范中已规定掣链支撑结构强度必须要进行强度校核才能允许建造[3]，然而，目前在国内的研究中尚没有与掣链器支撑结构强度计算相关的文献。在本文中将应用Patran&Nastran有限元分析软件，以某型号的供油船的掣链器及其支撑结构为对象进行有限元分析和探讨。

2 掣链器基座及其支撑结构的有限元模型

本掣链器及其附近的船体支撑结构的材料均为CCS-A级钢，其弹性模量为206GPa，泊松比为0.3，密度为7 850 kg/m3，极限强度为235 MPa。

在本文中建立掣链器及其四周船体结构有限元模型。在有限元模型中，船体结构中基座、甲板及锚链筒等用板单元模拟，甲板纵梁和横梁用梁单元模拟。该掣链器为滚轮闸刀掣链器，结构相对比较复杂，因此在建立有限元模型时并对原实际设计模型结构作了适当的简化，如：掣链器仅建立了两块安装板，受力结构用MPC单元来代替，与锚链筒相连的肘板不予以考虑等。由于锚链筒有支撑作用，因此对锚链筒在铅垂方向建模约2 000 mm。

在有限元模型中：X正方向为船首方向，Y正方向为船中指向左舷方向，Z负方向为铅垂方向。有限元模型如图1和图2所示。

图1 掣链器及其附属支撑结构的有限元模型（甲板上面）

图2 掣链器及其附属支撑结构的有限元模型（甲板下面）

3 边界条件和载荷的确定

3.1 边界条件

根据CCS的相关要求，在有限元模型边缘分别为横舱壁、隔壁板、纵舱壁，故在这些部件与甲板相交的节点都应该施加约束。在横舱壁与甲板的连接处约束Y和Z方向的线位移及X轴的转角，纵舱壁与甲板的连接处约束X和Z方向的线位移及Y轴的转角；在锚链筒的下端约束约束Y和Z方向的线位移及X轴的转角。

图3 有限元模型的边界条件

3.2 载荷计算

根据文献[3]中所规定的，掣链器的支撑结构的计算载荷为锚链破断强度的80%，按照锚系泊布置图所示方向，施加规定载荷工况于有限元支撑结构模型上，方向沿锚链拉伸方向，即沿锚链筒方向。在本船中选用AM-2级直径48 mm锚链，其破断拉力为1 270 kN，故设计载荷：

F = 1 270×0.8 = 1 016 kN

另外，还需要考虑结构的自重载荷，在软件中设置一个重力加速度即可。

4 计算结果及分析

有限元分析结果见表1及图4~图7。

从表1的结果中可以得出该船的掣链器基座及其支撑结构强度均满足要求，而且在结构最大位移变形为1.55 mm，也在可接受范围之内，故结构设计合理。

从图4中的板单元的应力云图可以看出最大等效应力出现在掣链器基座与甲板的焊接靠近锚链筒处，属于局部应力集中，若局部较小范围内区域的应力水平过大，可取所计算的单元和与其连接结点所属单元的应力之平均值；从图5中可以看出最大位移变形出现在甲板与掣链器基座焊接处，并且是在离锚链筒的远端。梁单元上的最大正应力和最大剪切应力均出现在掣链器基座的加强材上。以上现象均与结构实际情况相符合，因此本文中的有限元模型建立及约束条件的设置真实地模拟了实际结构。

表1 有限元分析结果

图4 应力分布云图

图5 位移变形云图

图6 梁单元正应力分布云图

此外，从计算结果中可以看出各项应力值离各自的许用应力值还有较大的空间，这意味着材料的力学性能尚得到充分发挥，因此，在保证强度的要求的前提下，还可以进一步对原设计结构进行优化设计，以减小构件的尺寸参数，从而降低船舶的建造成本。

图7 梁单元剪切应力分布云图

5 结论

本文基于Patran&Nastran有限元分析软件，以某型号成品油船的掣链器基座及其附近的支撑结构为对象，根据其实际结构和受力情况，对其进行了有限元分析。有限元分析结果表明，支撑结构的加强材布置合理，原设计结构的强度刚度满足规范要求，而并且可以本次有限元分析为基础，在原来的设计结构上做进一步的优化设计，以充分利用材料，降低成本。因此，对掣链器基座及其支撑结构进行有限元分析具有重要的实际工程意义。

此外，由于在国内尚没有与掣链器有限元分析相关的文献，故本文对负责掣链器有限元分析计算送审工作的工程师具有宝贵的指导价值。

参考文献

[1] 孙丽萍. 船舶结构有限元分析[M]. 哈尔滨工程大学出版社，2004

[2] 刁玉峰. 船舶舾装工程[M]. 哈尔滨工程大学出版社，2006

[3] 中国船级社. 钢质海船入级规范[M]. 人民交通出版社，2009