ST OFFSHORE 錨三維建模及有限元分析

雷 林，王智祥，張 敏，張國鵬

(1.重慶交通大學(xué)重慶市特種船舶數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造工程技術(shù)研究中心，重慶400074;2.重慶鵬祥船舶工業(yè)有限公司，重慶400021)

隨著海洋工程的發(fā)展出現(xiàn)了很多新型工程船舶和海洋結(jié)構(gòu)物。比如海底鋪纜(管)船、起重船、挖泥船、石油鉆井平臺(tái)和采油平臺(tái)等，傳統(tǒng)意義上的錨已完全不能適應(yīng)這些海上浮體的系泊需要。因而新型的、穩(wěn)定的和抓力強(qiáng)大的錨逐漸產(chǎn)生并發(fā)展運(yùn)用以適應(yīng)各種海上工程環(huán)境下系泊船和海洋結(jié)構(gòu)物的要求［1］。

目前使用的錨已有幾十種之多，但無論何種型式的錨，其抓力越大、抓土效率越高(錨從入水到抓土達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越短，則稱其抓土效率越高)、穩(wěn)定性和安全可靠性越高，則錨的性能就越好，ST/STS OFFSHORE錨系列正是為了達(dá)到上述優(yōu)越的性能由重慶交通大學(xué)和重慶鵬祥船舶工業(yè)有限公司聯(lián)合開發(fā)開發(fā)出來。傳統(tǒng)意義上的錨多為鑄鋼錨，而本錨一改傳統(tǒng)思維，其錨爪采用焊接結(jié)構(gòu)形式，其最大的特點(diǎn)不僅在于便于制造，而更可以通過比鑄造靈活的焊接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)很多鑄鋼錨無法滿足的功能設(shè)計(jì)。

開發(fā)一種錨，傳統(tǒng)的方法是由設(shè)計(jì)人員按經(jīng)典力學(xué)簡化計(jì)算并制作草圖，工廠試做樣品，把錨放置于拉力機(jī)上做拉力試驗(yàn)，進(jìn)行深海拋錨試驗(yàn)，然后經(jīng)過客戶的不斷的使用，反饋和改進(jìn)，最后得到一個(gè)成熟的產(chǎn)品。然而由于傳統(tǒng)的方法具有周期長(有時(shí)達(dá)數(shù)10 a)，成本高(需要反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn))等特點(diǎn)，已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代船舶和海洋工程事業(yè)的需要。有限元分析作為現(xiàn)代工程技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行科學(xué)計(jì)算的一種極為重要的方法［2］，可以獲得幾乎任意復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的各種機(jī)械性能信息，還可以就工程設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)判和優(yōu)化，對(duì)各種工程事故進(jìn)行技術(shù)分析，因而在船舶和海洋工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

筆者采用這種有限元分析方法，以Pro/E作為三維建模工具，并將完成的三維模型導(dǎo)入ANSA生成簡化后的有限元模型，最后應(yīng)用有限元軟件Abaqus對(duì)該模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。

1 ST OFFSHORE錨建模及材料性能

大抓力錨整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其中如一些筋板等對(duì)整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度有著重要作用，而象一些倒角、小圓孔等則對(duì)錨結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度影響不大，故在進(jìn)行有限元分析的建模過程中對(duì)錨整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的等效簡化處理。由于只作結(jié)構(gòu)計(jì)算，本模型去掉了起平衡作用的2個(gè)穩(wěn)定鰭，因?yàn)樗鼘?duì)整個(gè)構(gòu)件的受力影響非常小，去掉它可以加快運(yùn)算的速度。根據(jù)大抓力船用錨結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用特征建模(Feature)方法，應(yīng)用PRO/E軟件可方便地實(shí)現(xiàn)大抓力船用錨幾何特征的建模［3］。創(chuàng)建如圖1～圖3所示的大抓力船用錨有限元分析的實(shí)體模型［4］。

圖1 錨桿及錨卸扣實(shí)體模型Fig.1 Shank and shackle

圖2 錨爪與連接銷實(shí)體模型Fig.2 Fluke and pin

圖3 ST OFFSHORE型大抓力錨裝配效果圖Fig.3 ST OFFSHORE anchor mode

材料:錨爪和錨桿選用船級(jí)鋼AH36，彈性模量E=210 GPa，泊松比為0.3，屈服應(yīng)力最小值為355 MPa;卸扣和銷選用ZG200－400，彈性模量E=210 GPa，泊松比為0.3，屈服應(yīng)力最小值為355 MPa。實(shí)驗(yàn)溫度定為常溫即20℃。

2 有限元分析計(jì)算

2.1 網(wǎng)格生成

考慮到實(shí)體模型非常龐大，內(nèi)部筋板眾多，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，故采用國外專業(yè)的前處理軟件ANSA提供分析所需要的網(wǎng)格［5］。ANSA劃分的網(wǎng)格模型中:錨桿28 786個(gè)面單元，43 132個(gè)體單元，如圖4、圖5所示;錨爪28 880個(gè)面單元，44 189個(gè)體單元，如圖 6、圖 7所示。將 ANSA的網(wǎng)格模型倒入ABAQUS，并進(jìn)行裝配及定義銷連接，如圖8。

圖4 錨桿透明網(wǎng)格Fig.4 Clear mesh mode of shank

圖5 錨桿及錨卸扣網(wǎng)格模型Fig.5 Shank and fluke mode

圖6 錨爪透明網(wǎng)格Fig.6 Clear mesh mode of fluke

圖7 錨爪面、體網(wǎng)格Fig.7 Mesh of fluke

圖8 ABAQUS網(wǎng)格模型Fig.8 ABAQUS mesh mode

2.2 邊界條件

確定有限元邊界條件是建立有限元分析模型的重要一環(huán)，合理確定有限元模型的邊界條件是成功的進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析的基本要求。一般情況下，建立對(duì)象的邊界條件是明確的，根據(jù)力學(xué)模型的邊界條件可以很容易確定其有限元模型的邊界條件，如結(jié)構(gòu)工程中的各種框架、鋼架等。但是在機(jī)械、水土等工程中，需研究的建模對(duì)象往往是整個(gè)結(jié)構(gòu)中的一部分，在建立其有限元確定邊界條件時(shí)，必須考慮結(jié)構(gòu)其余部分的影響。這方面主要涉及兩個(gè)問題:邊界位置的確定和邊界條件的確定［6］。

根據(jù)船級(jí)社船錨的驗(yàn)證試驗(yàn)規(guī)定:驗(yàn)證載荷必須施加于錨臂或錨掌的某一點(diǎn)上，該點(diǎn)位于自錨爪尖端至錨冠中心的1/3距離處。

因此大抓力錨工作時(shí)的工況:自錨爪尖端至錨冠中心的1/3距離處全部約束了自由度，且僅對(duì)錨爪正平面進(jìn)行面約束。大抓力錨的邊界約束條件的建立如圖9，加載情況首先耦合錨卸扣接觸圓柱面到其圓心一點(diǎn)，具體情況則分為以下2種工況進(jìn)行詳細(xì)描述。

圖9 大抓力錨的約束Fig.9 Boundary conditions of H H P anchor

2.3 有限元結(jié)果分析

2.3.1 實(shí)際工況：拉伸試驗(yàn)機(jī)的正常工況

各船級(jí)社規(guī)范對(duì)于錨的驗(yàn)證試驗(yàn)均作出規(guī)定:對(duì)于大抓力錨，取該錨實(shí)際質(zhì)量的1.33倍的公稱質(zhì)量。對(duì)于15 t的大抓力錨，查各船級(jí)社規(guī)范可得，驗(yàn)證載荷應(yīng)為1 520.0 kN。

該工況與船錨在海底工作以及提升船錨基本一致。載荷加載值為驗(yàn)證載荷1 520.0 kN，方向?yàn)檎鎸?shí)環(huán)境下的鐵鎖鏈方向，即錨卸扣中心點(diǎn)(加載荷點(diǎn))與整個(gè)船錨重心相連接而成的直線上，如圖10［7］。

圖10 正常工況下載荷加載方向Fig.10 Proof test load directions

在具體的分析中，船錨整體坐標(biāo)以重心為原點(diǎn)，錨爪正平面為x、y軸，垂直于x－y平面的為z軸(黃色箭頭為x方向)。故正常工況下力的方向需分解成整體坐標(biāo)下y、z兩個(gè)方向的力。

在此工況下，加載方向與x、y平面所成銳角為41°，分解到y(tǒng)軸的力為:

FY=1 520 000 cos41=1 147 159 N;分解到z軸的力為Fz=1 520 000 sin41=997 210 N，如圖11。

圖11 載荷加載分解方向示意圖Fig.11 Analysis of the frame of reference

利用ABAQUS軟件對(duì)所建立的有限元模型進(jìn)行計(jì)算，得出在該受力工況下的應(yīng)力圖及變形圖，如圖12～圖17。

圖12 錨整體等效應(yīng)力云圖Fig.12 The equivalent stress of the whole anchor

圖13 錨整體等效變形云圖Fig.13 The equivalent deformation of the whole anchor

圖14 錨卸扣應(yīng)力云圖Fig.14 Equivalent stress of the shackle

圖15 錨卸扣變形云圖Fig.15 Equivalent deformation of the shackle

圖16 銷應(yīng)力云圖Fig.16 Equivalent stress of the pin

圖17 銷變形云圖Fig.17 Equivalent deformation of the pin

從圖18～圖19可以看出，錨爪應(yīng)力最大為133.9 MPa，位于錨爪中的耳環(huán)內(nèi)板的前端背面處，且成對(duì)稱分布，錨爪等形最大值為12.677 mm，船錨材料采用AH36，其強(qiáng)度極限σs=355 MPa，船錨最大應(yīng)力σmax=133.9 MPa考慮船錨的重要性，應(yīng)該有較大的強(qiáng)度儲(chǔ)備，故取安全系數(shù)ns=2，則其許用應(yīng)力:可見σmax<［σ］，船錨的強(qiáng)度滿足使用要求。該工況與拉伸試驗(yàn)機(jī)的正常工況(實(shí)際工況)基本一致。

2.3.2 極限工況

載荷加載值為極限載荷，采取錨總重量的30倍，F(xiàn)U=15 000×30×10=450 000 N。在此工況下，加載方向與x、y平面所成銳角為41°，分解到y(tǒng)軸的力為FY=4 500 000 cos41=3.396 2 E+006 N;分解到z軸的力為Fz=4 500 000 sin41=2.952 27 E+006 N，利用ABAQUS軟件對(duì)所建立的有限元模型進(jìn)行計(jì)算，得出在該受力工況下的應(yīng)力圖及變形圖，如圖18～圖23。

圖18 錨整體等效應(yīng)力云圖Fig.18 Equivalent stress of whole anchor

圖19 錨整體等效變形云圖Fig.19 Equivalent deformation of whole anchor

圖20 錨卸扣應(yīng)力云圖Fig.20 Equivalent stress of shackle

圖21 錨卸扣變形云圖Fig.21 Equivalent deformation of shackle

圖22 銷應(yīng)力云圖Fig.22 Equivalent stress of pin

圖23 銷變形云圖Fig.23 Equivalent deformation of pin

從圖18～圖23可以看出，錨最大應(yīng)力為345.9 MPa，位于錨爪中的耳環(huán)內(nèi)板前斷端處。接近船錨的材料極限強(qiáng)度σs=355 MPa，錨的最大變形位移為11.8 mm(一方向)，位于錨桿錨卸扣處和錨爪錨冠自由端;錨卸扣的最大應(yīng)力284.7MPa，在錨卸扣的上端圓弧及兩個(gè)扣環(huán)空內(nèi);最大變形為0.676 mm;錨卸扣的材料為ZG200－40，如果屈服應(yīng)力達(dá)到σs=295 MPa，則錨卸扣該工況下基本滿足強(qiáng)度極限;連接銷的最大應(yīng)力為218.1MPa，最大變形為0.0907 mm，連接銷的材料為ZG200－400，如果屈服應(yīng)力能達(dá)到σs=295 MPa，該工況下連接銷能滿足材料強(qiáng)度極限。

3 結(jié)論

有限元分析結(jié)果見表1。

表1 15 000 kg ST OFFSHORE Anchor最大應(yīng)力和形變Tab.1 The maximum stress and deformation of 15 000 kg anchor

計(jì)算結(jié)果表明，該錨在規(guī)定載荷和極限載荷情況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度都能夠滿足要求，設(shè)計(jì)合理。實(shí)際中ST OFFSHORE錨500～30 000 kg系列均進(jìn)行了有限元分析，計(jì)算結(jié)果表明，ST OFFSHORE錨系列在規(guī)定載荷和極限載荷情況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度都能夠滿足要求。

參考圖13，可得錨有限元分析的整體變形值12.67 mm。在驗(yàn)船師見證下，將錨置放于拉力機(jī)上，按理論方向加載1 520 kN拉力，穩(wěn)定后進(jìn)行測量，測得錨整體彈性變形量為13.5 mm。兩者比較后的差值為13.5－12.67=0.83 mm。表明有限元計(jì)算的結(jié)果具有較大可信度。

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