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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PatranNastran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:ThereisnoreferencesabouttheFEAofanchorstopperinChinathatfocusontheeffectsofthestrengthofanchorstopperbaseanditssupportstructureontheshipsecuritysituation.Bytakingacertaintypeofbunkertanker’schainstopperastheobjectcontroller,thispapercarriesoutfiniteelementanalysisbasedonthefiniteelementsoftwarePatranNastranforstopperbaseanditssupportstructure,determinestherationalityandsafetyofstructuraldesign,andputsforwardthestructuraldesignoptimizationideasandprovidesanimportantreferenceforthestrengthcalculationofchainstopper.
Keywords:ChainStopper;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PatranNastran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7850kg/m3,极限强度为235MPa。
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2000mm。
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
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