ST OFFSHORE 锚三维建模及有限元分析

雷 林，王智祥，张 敏，张国鹏

(1.重庆交通大学重庆市特种船舶数字化设计与制造工程技术研究中心，重庆400074;2.重庆鹏祥船舶工业有限公司，重庆400021)

随着海洋工程的发展出现了很多新型工程船舶和海洋结构物。比如海底铺缆(管)船、起重船、挖泥船、石油钻井平台和采油平台等，传统意义上的锚已完全不能适应这些海上浮体的系泊需要。因而新型的、稳定的和抓力强大的锚逐渐产生并发展运用以适应各种海上工程环境下系泊船和海洋结构物的要求［1］。

目前使用的锚已有几十种之多，但无论何种型式的锚，其抓力越大、抓土效率越高(锚从入水到抓土达到稳定的时间越短，则称其抓土效率越高)、稳定性和安全可靠性越高，则锚的性能就越好，ST/STS OFFSHORE锚系列正是为了达到上述优越的性能由重庆交通大学和重庆鹏祥船舶工业有限公司联合开发开发出来。传统意义上的锚多为铸钢锚，而本锚一改传统思维，其锚爪采用焊接结构形式，其最大的特点不仅在于便于制造，而更可以通过比铸造灵活的焊接结构，实现很多铸钢锚无法满足的功能设计。

开发一种锚，传统的方法是由设计人员按经典力学简化计算并制作草图，工厂试做样品，把锚放置于拉力机上做拉力试验，进行深海抛锚试验，然后经过客户的不断的使用，反馈和改进，最后得到一个成熟的产品。然而由于传统的方法具有周期长(有时达数10 a)，成本高(需要反复进行试验)等特点，已经不能适应现代船舶和海洋工程事业的需要。有限元分析作为现代工程技术领域进行科学计算的一种极为重要的方法［2］，可以获得几乎任意复杂工程结构的各种机械性能信息，还可以就工程设计进行评判和优化，对各种工程事故进行技术分析，因而在船舶和海洋工程领域得到了广泛的应用。

笔者采用这种有限元分析方法，以Pro/E作为三维建模工具，并将完成的三维模型导入ANSA生成简化后的有限元模型，最后应用有限元软件Abaqus对该模型进行结构强度分析。

1 ST OFFSHORE锚建模及材料性能

大抓力锚整体结构比较复杂，其中如一些筋板等对整体结构的强度有着重要作用，而象一些倒角、小圆孔等则对锚结构的强度影响不大，故在进行有限元分析的建模过程中对锚整体结构进行了相应的等效简化处理。由于只作结构计算，本模型去掉了起平衡作用的2个稳定鳍，因为它对整个构件的受力影响非常小，去掉它可以加快运算的速度。根据大抓力船用锚结构特点，采用特征建模(Feature)方法，应用PRO/E软件可方便地实现大抓力船用锚几何特征的建模［3］。创建如图1～图3所示的大抓力船用锚有限元分析的实体模型［4］。

图1 锚杆及锚卸扣实体模型Fig.1 Shank and shackle

图2 锚爪与连接销实体模型Fig.2 Fluke and pin

图3 ST OFFSHORE型大抓力锚装配效果图Fig.3 ST OFFSHORE anchor mode

材料:锚爪和锚杆选用船级钢AH36，弹性模量E=210 GPa，泊松比为0.3，屈服应力最小值为355 MPa;卸扣和销选用ZG200－400，弹性模量E=210 GPa，泊松比为0.3，屈服应力最小值为355 MPa。实验温度定为常温即20℃。

2 有限元分析计算

2.1 网格生成

考虑到实体模型非常庞大，内部筋板众多，结构较为复杂，故采用国外专业的前处理软件ANSA提供分析所需要的网格［5］。ANSA划分的网格模型中:锚杆28 786个面单元，43 132个体单元，如图4、图5所示;锚爪28 880个面单元，44 189个体单元，如图 6、图 7所示。将 ANSA的网格模型倒入ABAQUS，并进行装配及定义销连接，如图8。

图4 锚杆透明网格Fig.4 Clear mesh mode of shank

图5 锚杆及锚卸扣网格模型Fig.5 Shank and fluke mode

图6 锚爪透明网格Fig.6 Clear mesh mode of fluke

图7 锚爪面、体网格Fig.7 Mesh of fluke

图8 ABAQUS网格模型Fig.8 ABAQUS mesh mode

2.2 边界条件

确定有限元边界条件是建立有限元分析模型的重要一环，合理确定有限元模型的边界条件是成功的进行结构有限元分析的基本要求。一般情况下，建立对象的边界条件是明确的，根据力学模型的边界条件可以很容易确定其有限元模型的边界条件，如结构工程中的各种框架、钢架等。但是在机械、水土等工程中，需研究的建模对象往往是整个结构中的一部分，在建立其有限元确定边界条件时，必须考虑结构其余部分的影响。这方面主要涉及两个问题:边界位置的确定和边界条件的确定［6］。

根据船级社船锚的验证试验规定:验证载荷必须施加于锚臂或锚掌的某一点上，该点位于自锚爪尖端至锚冠中心的1/3距离处。

因此大抓力锚工作时的工况:自锚爪尖端至锚冠中心的1/3距离处全部约束了自由度，且仅对锚爪正平面进行面约束。大抓力锚的边界约束条件的建立如图9，加载情况首先耦合锚卸扣接触圆柱面到其圆心一点，具体情况则分为以下2种工况进行详细描述。

图9 大抓力锚的约束Fig.9 Boundary conditions of H H P anchor

2.3 有限元结果分析

2.3.1 实际工况：拉伸试验机的正常工况

各船级社规范对于锚的验证试验均作出规定:对于大抓力锚，取该锚实际质量的1.33倍的公称质量。对于15 t的大抓力锚，查各船级社规范可得，验证载荷应为1 520.0 kN。

该工况与船锚在海底工作以及提升船锚基本一致。载荷加载值为验证载荷1 520.0 kN，方向为真实环境下的铁锁链方向，即锚卸扣中心点(加载荷点)与整个船锚重心相连接而成的直线上，如图10［7］。

图10 正常工况下载荷加载方向Fig.10 Proof test load directions

在具体的分析中，船锚整体坐标以重心为原点，锚爪正平面为x、y轴，垂直于x－y平面的为z轴(黄色箭头为x方向)。故正常工况下力的方向需分解成整体坐标下y、z两个方向的力。

在此工况下，加载方向与x、y平面所成锐角为41°，分解到y轴的力为:

FY=1 520 000 cos41=1 147 159 N;分解到z轴的力为Fz=1 520 000 sin41=997 210 N，如图11。

图11 载荷加载分解方向示意图Fig.11 Analysis of the frame of reference

利用ABAQUS软件对所建立的有限元模型进行计算，得出在该受力工况下的应力图及变形图，如图12～图17。

图12 锚整体等效应力云图Fig.12 The equivalent stress of the whole anchor

图13 锚整体等效变形云图Fig.13 The equivalent deformation of the whole anchor

图14 锚卸扣应力云图Fig.14 Equivalent stress of the shackle

图15 锚卸扣变形云图Fig.15 Equivalent deformation of the shackle

图16 销应力云图Fig.16 Equivalent stress of the pin

图17 销变形云图Fig.17 Equivalent deformation of the pin

从图18～图19可以看出，锚爪应力最大为133.9 MPa，位于锚爪中的耳环内板的前端背面处，且成对称分布，锚爪等形最大值为12.677 mm，船锚材料采用AH36，其强度极限σs=355 MPa，船锚最大应力σmax=133.9 MPa考虑船锚的重要性，应该有较大的强度储备，故取安全系数ns=2，则其许用应力:可见σmax<［σ］，船锚的强度满足使用要求。该工况与拉伸试验机的正常工况(实际工况)基本一致。

2.3.2 极限工况

载荷加载值为极限载荷，采取锚总重量的30倍，FU=15 000×30×10=450 000 N。在此工况下，加载方向与x、y平面所成锐角为41°，分解到y轴的力为FY=4 500 000 cos41=3.396 2 E+006 N;分解到z轴的力为Fz=4 500 000 sin41=2.952 27 E+006 N，利用ABAQUS软件对所建立的有限元模型进行计算，得出在该受力工况下的应力图及变形图，如图18～图23。

图18 锚整体等效应力云图Fig.18 Equivalent stress of whole anchor

图19 锚整体等效变形云图Fig.19 Equivalent deformation of whole anchor

图20 锚卸扣应力云图Fig.20 Equivalent stress of shackle

图21 锚卸扣变形云图Fig.21 Equivalent deformation of shackle

图22 销应力云图Fig.22 Equivalent stress of pin

图23 销变形云图Fig.23 Equivalent deformation of pin

从图18～图23可以看出，锚最大应力为345.9 MPa，位于锚爪中的耳环内板前断端处。接近船锚的材料极限强度σs=355 MPa，锚的最大变形位移为11.8 mm(一方向)，位于锚杆锚卸扣处和锚爪锚冠自由端;锚卸扣的最大应力284.7MPa，在锚卸扣的上端圆弧及两个扣环空内;最大变形为0.676 mm;锚卸扣的材料为ZG200－40，如果屈服应力达到σs=295 MPa，则锚卸扣该工况下基本满足强度极限;连接销的最大应力为218.1MPa，最大变形为0.0907 mm，连接销的材料为ZG200－400，如果屈服应力能达到σs=295 MPa，该工况下连接销能满足材料强度极限。

3 结论

有限元分析结果见表1。

表1 15 000 kg ST OFFSHORE Anchor最大应力和形变Tab.1 The maximum stress and deformation of 15 000 kg anchor

计算结果表明，该锚在规定载荷和极限载荷情况下结构强度都能够满足要求，设计合理。实际中ST OFFSHORE锚500～30 000 kg系列均进行了有限元分析，计算结果表明，ST OFFSHORE锚系列在规定载荷和极限载荷情况下结构强度都能够满足要求。

参考图13，可得锚有限元分析的整体变形值12.67 mm。在验船师见证下，将锚置放于拉力机上，按理论方向加载1 520 kN拉力，稳定后进行测量，测得锚整体弹性变形量为13.5 mm。两者比较后的差值为13.5－12.67=0.83 mm。表明有限元计算的结果具有较大可信度。

［1］雷林.CMIC新型三角大抓力锚［J］.国际船艇，2002(7):36－37.

［2］康国政.大型有限元程序的原理、结构与使用［M］.成都:西南交通大学出版社，2004.

［3］方建军.机械动态仿真与工程分析——Pro/e工程应用［M］.北京:化学工业出版社，2004.

［4］李平书，严家文，任鸿.船舶结构有限元模型快速生成研究［J］.船舶，2007(4):52－60.

［5］王庆五.ANSYS 10.0机械设计高级应用实例［M］.(2版).北京:机械工业出版社，2006.

［6］冯琦，杨启.绞吸式挖泥船抛锚杆系统强度设计分析［J］.造船技术，2005(5):30－33.

［7］汪宏，刘安来.船体起锚机强度的有限元分析［J］.江苏科技大学学报:自然科学版，2008，22(3):1－4.