油船锚机加强有限元分析
摘 要摘 要 在现代造船业，锚机作为船体系泊十分重要的部分，其安装位置与强度校核要求也变的日益重要。本船以19900DWT油船作为研究对象，其锚机通过锚机基座安放首楼甲板上。船舶航行时，上浪对锚机的冲击力和抛锚时的锚链力都通过锚机基座作用在甲板上，为了船体的安全，需要对锚机下船体结构作强度有限元分析。这里采用有限元分析法，有限元分析法核心思路是将船体结构细化成规则的单元格，是作为现代船舶强度分析应用广泛的一种方法。本论文的研究对象是19900DWT油船，应用有限元分析法对锚机加以上浪载荷，采用φ58（AM3）；其破断力26000kN，经过计算总体而言，在计算载荷作用下，锚机下船体结构均小于许用应力，满足强度要求。关键词：锚机、结构强度、许用应力、有限元法目 录
第一章 绪论 10
1.1选题的背景和意义 10
1.1.1锚机设计的国家规范 10
1.1.2锚机的种类和主要结构特点 10
1.1.3锚机结构强度校核的必要性 11
1.2国内外研究现状 11
1.3主要研究内容 13
第二章 有限元法概述 14
2.1 有限元法介绍 14
2.1.1 有限元法概述 14
2.1.2 有限元法的基本思想 18
2.1.3 有限元法的分析过程 19
2.1.4 有限元法的基本优缺点 20
2.2 MSC.PATRAN/NASTRAN软件简介 21
2.3 MSC/NASTRAN和MSC/PATRAN的运算流程 22
第三章 有限元计算锚机基座及船体结构 23
3.1本船锚机计算任务 23
3.1.1概述 23
3.1.2 提供的主要图纸 23
3.2 有限元模型 23
3.2.1 模型概述 23
3.2.2 建模流程 24
3.2.3 坐标系 26
3.2.4 单元 27
3.3本章小
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
3.1本船锚机计算任务 23
3.1.1概述 23
3.1.2 提供的主要图纸 23
3.2 有限元模型 23
3.2.1 模型概述 23
3.2.2 建模流程 24
3.2.3 坐标系 26
3.2.4 单元 27
3.3本章小结 27
第四章 载荷计算及计算结果 28
4.1载荷计算 28
4.1.1约束 28
4.1.2载荷工况 28
4.1.3螺栓受力计算结果 30
4.1.4 螺栓强度分析 33
4.1.5止推块剪切强度校核 34
4.1.6材料的物理性能及许用应力的确定 34
4.2 计算结果 35
4.3 本章小结 40
结 论 40
致 谢 43
参 考 文 献 44
第一章 绪论
1.1选题的背景和意义
1.1.1锚机设计的国家规范
锚机是起锚和抛锚的机械，也一样用做绞揽。锚泊是船舶的一种停留方式，我国规范对锚机有下述几点要求：
1）锚机驱动应靠原动力
2）锚机的额定拉力应不小于41.68d2N(4.25d2kgf)，当d<25mm时额定拉力应不小于36.8d2N(3.75d2dgf),d为链径，单位为mm。绞锚平均速度应不小于9m/min，在一定额定压力下。
3）要求锚机在额定拉力、额定速度的条件下，应该可以连续工作30分钟，并应该能够在不小于1.5倍额定拉力的过载拉力作用下连续工作2分钟；最后锚机还应该配备有过载保护装置，使得过载时能达到中速运转。
4）锚机链轮上的刹车装置应工作可靠，能制动锚链断裂负荷45%的拉力（当自由抛锚速度达5~7.5m/s时，仍能有郊刹住正在下滑的锚链）；锚机的链轮与载荷轴之间应该设有离合器；刹车与离合器应该保持操纵方便可靠；锚机运转时应能顺倒转动并且要求平稳、迅速。
5）锚机安装应保证锚链引出时三眼（锚链筒、制链器、和链轮）成一线。
1.1.2锚机的种类和主要结构特点
锚机是抛起锚的重要机械装置，一般来说，锚机是布置在船首甲板上，也有少部分情况是布置在工程船船尾的。
锚机的划分一般按照其动力方式来划分，分为液压锚机和电动锚机两种。电动锚机的主要结构包括：电动机、变速箱、传动齿轮、主轴、导链轮轴和导链轮、刹车、离合器以及载荷主轴端部固定的卷筒等。液压锚机也称为电动液压锚机，其主要的结构主要有：电动机、主油泵、辅油泵、功能控制用阀、高压输油管、液压马达、载荷主轴导链轮轴和导链轮以及刹车、离合器以及载荷主轴端部固定的卷筒等。两者各有特点。
液压锚机具有结构紧凑、体积小、变速性能好、操作性稳定的特点，广泛应用与大型船舶，但是制造技术和维护保养费用较高。
电动锚机与液压锚机相比，其结构更为小型化，整体体积较小，其结构中没有输油导管和油箱，对于海洋工业无污染，随伺服电机的发展，电动锚机已经逐渐开始被使用，但是对于液压锚机来说，系统反应较为敏感。
1.1.3锚机结构强度校核的必要性
锚机作为现代甲板上机械结构最为重要的部分，锚机起着起锚，抛锚，系泊和带缆的作用，其可靠性特性对船位置的不变，锚机在船舶紧急制动和安全靠岸方面起着至关重要的作用。在锚机设计过程中，所考虑的载荷主要有自重、支持负载、制动负载和额定负载。需要考虑的方面是非常多的，锚泊设备在船体使用过程中需要承受非常大的载荷，特别是像本船一样的大型船舶，如若强度校核不够，将会引起锚设备的某些部件造成损坏甚至脱落，所以锚机强度校核对于船体的安全性来说是十分重要的。
1.2国内外研究现状
船舶的系泊设备主要是锚与锚机，其主要作用是靠岸时与岸边保持不动，船舶的紧急制动，使得船舶安全靠岸。一般而言，锚机是布置在艏楼甲板上的，因此甲板会受到上浪载荷，这就需要研究锚机基座的结构强度，使其达到结构强度要求。之前国内从未对这方面载荷进行研究，随着国内CAE技术的逐渐成型，使得对锚机这部分载荷的研究成为可能。设计人员可以运用Patran等有限元分析软件对结构进行强度校核，使其达到设计要求。大大节约了设计时间成本。目前人们主要用简单的力学模型和繁复的计算公式来设计锚机,因为目前不能精确设计锚机基座强度，没有精确有效的计算方法,只能套用较高的安全系数，无法精确计算,从而使得锚机的实际承载能力与计算值承载能力相去甚远,目前使用先进的CAE分析技术对锚机进行分析,使得锚机的可靠性和对甲板的强度的影响更加精确。
纵观国内外锚机设备的发展情况，现代的电动传动机得到了飞速发展和被广泛采用，这使得电动锚机应用更为广泛。
第一章 绪论 10
1.1选题的背景和意义 10
1.1.1锚机设计的国家规范 10
1.1.2锚机的种类和主要结构特点 10
1.1.3锚机结构强度校核的必要性 11
1.2国内外研究现状 11
1.3主要研究内容 13
第二章 有限元法概述 14
2.1 有限元法介绍 14
2.1.1 有限元法概述 14
2.1.2 有限元法的基本思想 18
2.1.3 有限元法的分析过程 19
2.1.4 有限元法的基本优缺点 20
2.2 MSC.PATRAN/NASTRAN软件简介 21
2.3 MSC/NASTRAN和MSC/PATRAN的运算流程 22
第三章 有限元计算锚机基座及船体结构 23
3.1本船锚机计算任务 23
3.1.1概述 23
3.1.2 提供的主要图纸 23
3.2 有限元模型 23
3.2.1 模型概述 23
3.2.2 建模流程 24
3.2.3 坐标系 26
3.2.4 单元 27
3.3本章小
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
3.1本船锚机计算任务 23
3.1.1概述 23
3.1.2 提供的主要图纸 23
3.2 有限元模型 23
3.2.1 模型概述 23
3.2.2 建模流程 24
3.2.3 坐标系 26
3.2.4 单元 27
3.3本章小结 27
第四章 载荷计算及计算结果 28
4.1载荷计算 28
4.1.1约束 28
4.1.2载荷工况 28
4.1.3螺栓受力计算结果 30
4.1.4 螺栓强度分析 33
4.1.5止推块剪切强度校核 34
4.1.6材料的物理性能及许用应力的确定 34
4.2 计算结果 35
4.3 本章小结 40
结 论 40
致 谢 43
参 考 文 献 44
第一章 绪论
1.1选题的背景和意义
1.1.1锚机设计的国家规范
锚机是起锚和抛锚的机械，也一样用做绞揽。锚泊是船舶的一种停留方式，我国规范对锚机有下述几点要求：
1）锚机驱动应靠原动力
2）锚机的额定拉力应不小于41.68d2N(4.25d2kgf)，当d<25mm时额定拉力应不小于36.8d2N(3.75d2dgf),d为链径，单位为mm。绞锚平均速度应不小于9m/min，在一定额定压力下。
3）要求锚机在额定拉力、额定速度的条件下，应该可以连续工作30分钟，并应该能够在不小于1.5倍额定拉力的过载拉力作用下连续工作2分钟；最后锚机还应该配备有过载保护装置，使得过载时能达到中速运转。
4）锚机链轮上的刹车装置应工作可靠，能制动锚链断裂负荷45%的拉力（当自由抛锚速度达5~7.5m/s时，仍能有郊刹住正在下滑的锚链）；锚机的链轮与载荷轴之间应该设有离合器；刹车与离合器应该保持操纵方便可靠；锚机运转时应能顺倒转动并且要求平稳、迅速。
5）锚机安装应保证锚链引出时三眼（锚链筒、制链器、和链轮）成一线。
1.1.2锚机的种类和主要结构特点
锚机是抛起锚的重要机械装置，一般来说，锚机是布置在船首甲板上，也有少部分情况是布置在工程船船尾的。
锚机的划分一般按照其动力方式来划分，分为液压锚机和电动锚机两种。电动锚机的主要结构包括：电动机、变速箱、传动齿轮、主轴、导链轮轴和导链轮、刹车、离合器以及载荷主轴端部固定的卷筒等。液压锚机也称为电动液压锚机，其主要的结构主要有：电动机、主油泵、辅油泵、功能控制用阀、高压输油管、液压马达、载荷主轴导链轮轴和导链轮以及刹车、离合器以及载荷主轴端部固定的卷筒等。两者各有特点。
液压锚机具有结构紧凑、体积小、变速性能好、操作性稳定的特点，广泛应用与大型船舶，但是制造技术和维护保养费用较高。
电动锚机与液压锚机相比，其结构更为小型化，整体体积较小，其结构中没有输油导管和油箱，对于海洋工业无污染，随伺服电机的发展，电动锚机已经逐渐开始被使用，但是对于液压锚机来说，系统反应较为敏感。
1.1.3锚机结构强度校核的必要性
锚机作为现代甲板上机械结构最为重要的部分，锚机起着起锚，抛锚，系泊和带缆的作用，其可靠性特性对船位置的不变，锚机在船舶紧急制动和安全靠岸方面起着至关重要的作用。在锚机设计过程中，所考虑的载荷主要有自重、支持负载、制动负载和额定负载。需要考虑的方面是非常多的，锚泊设备在船体使用过程中需要承受非常大的载荷，特别是像本船一样的大型船舶，如若强度校核不够，将会引起锚设备的某些部件造成损坏甚至脱落，所以锚机强度校核对于船体的安全性来说是十分重要的。
1.2国内外研究现状
船舶的系泊设备主要是锚与锚机，其主要作用是靠岸时与岸边保持不动，船舶的紧急制动，使得船舶安全靠岸。一般而言，锚机是布置在艏楼甲板上的，因此甲板会受到上浪载荷，这就需要研究锚机基座的结构强度，使其达到结构强度要求。之前国内从未对这方面载荷进行研究，随着国内CAE技术的逐渐成型，使得对锚机这部分载荷的研究成为可能。设计人员可以运用Patran等有限元分析软件对结构进行强度校核，使其达到设计要求。大大节约了设计时间成本。目前人们主要用简单的力学模型和繁复的计算公式来设计锚机,因为目前不能精确设计锚机基座强度，没有精确有效的计算方法,只能套用较高的安全系数，无法精确计算,从而使得锚机的实际承载能力与计算值承载能力相去甚远,目前使用先进的CAE分析技术对锚机进行分析,使得锚机的可靠性和对甲板的强度的影响更加精确。
纵观国内外锚机设备的发展情况，现代的电动传动机得到了飞速发展和被广泛采用，这使得电动锚机应用更为广泛。
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