带式制动器有限元分析与试验研究

　　随着世界航运事业的快速发展,船舶吨位越来越大,锚绞机承受的载荷也越来越大,对其可靠性的要求也越来越高。目前锚机的设计主要依靠经验公式和简单的力学模型,由于缺乏精确的强度计算方法,采用安全系数偏高,使带式制动器的理论承载能力与实际承载负荷之间存在较大的差异,需要利用现代先进的CAE分析技术对其进行分析,以提高其可靠性和满足锚机的升级与优化的需要。本文以某超级油轮的锚绞机带式制动器为研究对象,使用SolidWorks三维CAD造型软件进行建模,运用大型通用有限元分析软件MSC·Nastran进行线性静力和强度的有限元分析,通过试验验证有限元模型的正确性,为带式制动器的合理设计提供技术支持。

　　1　有限单元法原理

　　有限元法[1]是把带式制动器组件离散成有限个元素的组合体,彼此只在节点上联系,利用节点处平衡条件将各元素组合为一体,导出反映带式制动器结构的大型线性方程组,并求解方程组。带式制动器属弹性体,它的应力、应变是三维的。通常采用位移法,由节点的平衡方程式(1)求出节点的位移。

式中　Fe———元素的节点载荷列阵

　　Ke———元素刚度矩阵

　　2　带式制动器有限元模型建立和单元划分

　　使用三维CAD造型软件SolidWorks,通过拉伸、旋转、筋、抽壳、孔等三维特征造型功能创建带式制动器的三维实体模型。几何模型的网格划分是建立有限元模型时重要的一个步骤,划分网格对分析结果的正确性和准确性影响较大。一般来讲,网格数量增加,计算精度会有所提高,但同时计算量也相应增加。综合考虑,采用四面体10节点(Tet10)对带式制动器进行单元划分,总的单元数为18 159个,节点数为35 509个。

　　船舶抛锚工况下,锚机的锚链轮应能可靠制动。当锚链轮以角速度ω顺时针旋转时,依靠拉杆拉力F (某一瞬时拉杆拉力可认为是定值)收紧制动带而抱紧制动轮[2~4],即靠制动带与制动轮间产生的摩擦力(摩擦片材料为无石棉有机摩擦材料)达到制动目的。

　　图1表示包在直径为D的圆柱轮表面上的等厚度挠性体带,其厚度为h而宽度为b。假设挠性体带单位面积的质量m=ph,圆柱轮的转动角速度为ω,包角为φ,带两端的拉力分别为F1、F2。带上作用有3个单位力,即随着角度φ而变化的圆柱轮压力P和单位摩擦力fP以及在带旋转时出现在带单位面积上的均布离心力PC。

　　若以制动带的微元段为研究对象,其受力如图1所示。制动带主要受到拉力F和F+dF、摩擦力Ff、离心力Fv、正压力Fp。根据力的平衡原理∑Y=0得