锚泊定位系统锚链轮及其机架强度有限元分析

时间：2024-09-03

李文华，牛国波，韩凤翚，林珊颖，周性坤，葛杨元

（1. 大连海事大学轮机工程学院，海底工程技术与装备国际联合研究中心，辽宁大连 116026；2. 南通力威机械有限公司，江苏南通 226500）

0 引言

锚泊定位系统是海洋作业平台十分关键的设备之一，通过动力收放锚链来保证定位功能，其总体设计的合理性及综合性能，是满足平台在海洋环境下全天候工况定位作业的稳定性、可靠性、适应性和操作维护性等的重要前提条件。一旦锚泊定位系统发生故障，海洋平台将不能确保其定位能力，不仅影响平台上的设备正常运行，还会危及人员的生命财产安全。因此，保证锚泊定位系统安全可靠地工作是至关重要的。

锚链轮是锚泊定位系统的重要部件，直接决定着锚泊定位系统能否正常作业。国内对锚泊定位系统锚链轮及其机架的研究主要基于ANSYS有限元的结构强度分析。兰铁军[1]以三维实体建模软件Pro/Engineer和有限元分析软件ANSYS为工具，对系统主要结构进行有限元分析，验证了零件结构的合理性，并进行了部分零件的优化；史阳阳[2]以78mm液压组合锚绞机为研究对象，采用刚柔耦合、结构优化及有限元等理论，对锚绞机锚链轮的底座进行优化设计，最终在保证锚绞机能正常工作和尽量维持结构强度的前提下，减轻锚链轮和底座的重量；李钦奉等[3]对锚绞机齿轮啮合性能进行有限元分析，利用非线性有限元法对齿轮沿齿宽和齿高方向的载荷分配规律进行研究，并对轮齿在啮合过程中的啮合刚度变化规律进行了分析，最终得出载荷分布是不均匀的，啮合刚度呈周期性变化，同时说明有限元分析可以准确分析啮合规律；杨敬东等[4]在“海巡163”轮改造工程中，将主甲板上沉石绞盘更换为卧式液压锚链系统，根据系统作业的载荷受力点和甲板结构局部加强原则对“海巡163”轮系统下的支撑结构进行局部加强方案设计，并依据规范对系统作业中4种工况的结构进行有限元强度校核，对上浪工况采用的2种加载方式进行对比分析，计算结果表明最大应力值出现在系统支座脚附近的支撑结构上并满足规范要求，该系统支撑结构加强方案合理可行；张建等[5]基于有限元法对某船舶锚机进行了设计与分析，以84mm链径的锚绞机为研究对象，建立了包括主轴、锚链轮和机体在内的柔性有限元模型，并应用ABAQUS进行了支持负载、制动负载和额定负载下锚绞机力学性能有限元分析，结果表明锚机强度设计符合要求，有限元分析方法可以应用到研究强度、刚度和稳定性等力学性能上。

综上所述，对包括锚链轮和机架的有限元分析还存在着诸如有限元模型简化过度、网格精度不够以及没有实际工况依托等不足之处。本文以链径为76 mm的“勘探三”号海洋平台锚泊定位系统为研究对象，以该锚泊定位系统的锚链轮及其机架为原型同比例建模，保证所分析模型和实际工况相符。采用某一时刻线性静应力对该装置锚链轮及其机架进行有限元分析，应用服务器进行网格精细化分，局部网格的大小可达到1mm，精度可以达到1/1000甚至1/10000，这远高于其他研究的有限元网格精度。根据等效应力应变云图，找出最大应力应变发生位置，对锚链轮和机架进行强度校核，验证锚泊定位系统的设计强度，以保证其安全稳定地作业。

1 锚泊定位系统系统

“勘探三”号平台锚泊定位系统选型为全锚链结构形式，其实物图和根据实物等比例建模分别如图1和图2所示。“勘探三”号平台锚泊定位系统技术指标如表1所示。

图1 “勘探三”号锚泊定位系统实物图

图2 “勘探三”号锚泊定位系统模型

表1“勘探三”号锚链系统技术指标

2 锚链轮结构有限元分析

2.1 锚链轮结构

锚链轮即与锚链啮合传动的卷筒，最常见的锚链轮根据齿数的不同，可以将其分为A型5齿锚链轮、B型6齿锚链轮和C型7齿锚链轮。本文分析的锚泊定位系统锚链轮采用的是图3中的A型5齿锚链轮。

该锚链轮是高强度合金结构渗碳钢件，采用国家标准GB/T 3077—1999。合金结构钢[6]中牌号为20Cr2Ni4的锚链轮材料属性如表2所示。

图3 A型5齿锚链轮

表2 “勘探三”号锚链轮材料属性

与锚链轮啮合传动的锚链是76mm的标准环形无档锚链，根据船舶行业标准CB/T 3179—1996[7]，此锚泊定位系统锚链轮的主要尺寸如表3所示，其中：节圆直径DP为锚链与锚链轮啮合时，锚链中心线所形成的正多边形的外节圆直径；速度计算直径DV为确立动力起锚时，锚链移动线速度的计算直径。

表3“勘探三”号锚链轮基本尺寸

2.2 锚链轮的载荷分析

由于锚泊定位系统在工作过程中锚链与锚链轮啮合传动属于强力传动，所以可忽略圆环锚链重量，除此之外锚链轮还要承受来自环形锚链的各种载荷（包括静载荷、动载荷、冲击载荷和振动载荷等），其中最主要是静载荷和动载荷：静载荷为锚链轮在稳态或静止时承受的载荷，动载荷为锚链轮和锚链啮合传动过程中所承受的载荷[5]。本文主要分析静载荷情况，因此将动载荷及其他次要载荷通过北航CAXA-EB的开发环境进行力的迭代，将A型5齿锚链轮所受包括动载荷在内的其他载荷转换成静载荷。经计算，“勘探三”号平台锚泊定位系统最大工作静载荷为3000kN。

经过分析，锚链与A型5齿锚链轮的接触点从接触到脱开的运动轨迹是沿着五边形的1条边移动的[7]，即如果完成1圈A型5齿锚链轮与锚链的啮合传动，将会呈现出1个正五边形的啮合传动路径。然而，实际与锚链轮发生啮合传动的锚链只有3个。这种啮合传动过程有2种情况，如图3所示：一种是2个平环和1个立环这3个锚链和锚链轮啮合传动（如图3中的M2、M3和M4）；另一种则是2个立环和1个平环这3个锚链和锚链轮间的啮合传动（如M1、M2和M3）。无论是哪种啮合传动过程，均可将这种啮合传动过程等效为只与锚链轮上部接触面啮合，然后将最大载荷加到等效的上部接触面进行分析。

2.3 锚链轮的有限元分析

对锚链轮进行有限元分析，首先需建立锚链轮模型，但对于锚链轮这种较复杂的部件，采用非专业三维建模软件的ANSYS建模比较困难，所以首先用SolidWorks建立锚链轮模型（图4），然后以“.x_t”格式导入ANSYS中。由于模型部件较大，将主要受力和最容易出现问题的锚链轮轮齿划分成精度为1mm的网格，其余精度要求可适当降低，最终生成有着3110756个单元和4452 076个节点的锚链轮有限元网格模型。

图4 “勘探三”号锚链轮模型

将轮齿精度加密后划分的锚链轮网格模型进行单元特性分析，采用以选择节点为基本未知量的位移法，然后应用边界条件和平衡条件将3110756个单元重新连接起来，形成锚链轮整体的有限元方程：

式中：K为整体结构的刚性矩阵；q为节点位移列阵；f为载荷列阵。

将锚链轮轴心固定约束，将转换后最大静载荷3000kN加载到锚链轮齿的上部接触面，得到锚链轮的等效应力云图和等效应变云图分别如图5和图6所示。

图5 “勘探三”号锚链轮等效应力云图

图6 “勘探三”号锚链轮等效应变云图

由图5和图6可以看出：1）锚链轮所受的最大应力为88.219MPa，发生在两齿之间和锚链啮合处，根据材料属性，锚链轮符合设计要求；2）锚链轮的最大形变为0.00046378mm，出现在两齿之间和锚链啮合处，根据材料属性，锚链轮也满足设计要求。

3 机架结构有限元分析

3.1 机架结构和载荷分析

锚泊定位系统机架由与地面固定约束的底座、侧立板、立板四周的围板、支撑用H型钢和轴承座等组成，材料分别是ZG 230-450、DH36、Q 235-B、Q235-A和ZG 230-450，这些材料属性[9]如表4所示。

表4 “勘探三”号机架材料属性

虽然机架不是锚泊定位系统的主要部件，但其结构强度在一定程度上还是会影响锚泊定位系统的正常运行，尤其是轴承座承载着锚链轮的轴承和以静载荷为主、掺杂着冲击载荷和振动载荷的各种载荷。将各种载荷通过计算转换成静载荷，包括整个锚泊定位系统设备的重量，转换的静载荷为3370kN，将其加载到锚泊定位系统机架上，而后进行分析。

3.2 机架的有限元分析

同锚链轮有限元分析一样，要对机架进行有限元分析。首先建立机架模型，选用Solidworks建立机架模型见图7，然后以“.x_t”的格式导入Ansys中。根据经验，将侧立板和H型钢划分成1mm精度的网格，其余部分可适当降低网格精度，最终生成有着2431195个单元和12046315个节点的锚泊定位系统机架有限元网格模型。

图7 “勘探三”号锚链系统机架模型

由于机架底座为固定约束，6自由度都被限制，将包括整个锚泊定位系统设备重量的计算转换成静载荷3370 kN加载在轴承座上，得到锚泊定位系统机架的等效应力云图和等效应变云图如图8和图9所示。

图8 “勘探三”号锚链系统机架等效应力云图

图9 “勘探三”号锚链系统机架等效应变云图

从图8和图9可以看出：1）机架所受的最大应力为436.66MPa，发生在轴承座和机架立板连接处，根据所用材料属性，机架符合设计要求；2）机架最大形变为0.002 474 2mm，出现在轴承座和机架立板连接处，根据所用材料属性，机架也满足设计要求；3）机架其他部件开孔处存在较大应力，属于应力集中。