吊艙式推進(jìn)器支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核

張旭 駱偉 張艷 董威 曹俊偉

摘? ? 要：介紹了船舶吊艙式推進(jìn)器的性能優(yōu)點(diǎn)，吊艙推進(jìn)器支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核的難點(diǎn)，給出吊艙支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和校核的指導(dǎo)思路。結(jié)合一艘4000t級船舶，提出吊艙支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體實(shí)施方法，并采用有限元分析方法，對設(shè)計(jì)的吊艙支撐結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，為同類吊艙支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、校核及進(jìn)一步優(yōu)化提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：船舶吊艙推進(jìn);支撐結(jié)構(gòu);有限元方法

中圖分類號：U663.7? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： The performance advantage of the pod propeller are described， and the difficulty in design and check of the pod propeller supporting structure is introduced. The guidance of the design and check of the POD propeller supporting structure is provided. Combined with a 4000t-class vessel， a detailed description of the design of the pod propeller supporting structure is put forward， a finite element analysis method is adopted to check the designed supporting structure and the rationality of the design is verified， and the guidance for the design， check and further optimization of the similar pod propeller support structure is provided.

Key words： Pod propeller of ship; Supporting structure; Finite element analysis

1? ? ?引言

船用吊艙式推進(jìn)器突破了傳統(tǒng)“柴油機(jī)加開放式傳動(dòng)軸系”的推進(jìn)器設(shè)計(jì)形式[1]，將推進(jìn)電機(jī)和螺旋槳共軸制成獨(dú)立的推進(jìn)模塊安裝于船尾部，其推進(jìn)電機(jī)和螺旋槳直接連接，組成獨(dú)立的推進(jìn)模塊（見圖1），并安裝于船體底部的流線型吊艙器內(nèi)[2]。該推進(jìn)模塊（吊艙）不僅可以行使推進(jìn)功能，而且可以通過控制旋轉(zhuǎn)角度實(shí)現(xiàn)對推進(jìn)方向的控制，替代通常使用的舵和軸系，極大地提高了船舶設(shè)計(jì)、建造及操控使用的靈活性。基于上述優(yōu)點(diǎn)，近年來吊艙式推進(jìn)器越來越受到青睞，而其支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)成為影響其應(yīng)用的重點(diǎn)問題。

船用吊艙式推進(jìn)器一般安裝于尾艙底板的兩舷，由于其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)受力較大且復(fù)雜，運(yùn)行精度要求較高，因此對安裝處的結(jié)構(gòu)有較高的強(qiáng)度、剛度及空間要求[5]。為此，安裝區(qū)的支撐結(jié)構(gòu)需作特殊加強(qiáng)，而尾艙兩舷的空間一般較為狹小，故對支撐結(jié)構(gòu)的型式有較高要求;此外，船用吊艙的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還需綜合考慮結(jié)構(gòu)施工的工藝性等問題。

如何結(jié)合吊艙受力特點(diǎn)，充分利用原有船體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出滿足強(qiáng)度、剛度、使用要求、輕量、簡潔的吊艙支撐結(jié)構(gòu)，是本文研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

2? ? 船用吊艙支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

船用吊艙支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是：滿足吊艙推進(jìn)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的強(qiáng)度及剛度要求，滿足施工及維護(hù)要求，盡可能減少占用空間、減輕結(jié)構(gòu)重量、節(jié)約總體資源。為達(dá)到上述目標(biāo)，采用能夠有效的傳遞載荷、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定簡潔的輻射型支撐結(jié)構(gòu)型式。具體設(shè)計(jì)思路為：根據(jù)船用吊艙式推進(jìn)器的安裝面確定設(shè)備安裝位置，再結(jié)合吊艙式推進(jìn)器所處艙室的實(shí)際空間和原船體構(gòu)件分布情況，確定支撐結(jié)構(gòu)加強(qiáng)范圍;在吊艙式推進(jìn)器上部設(shè)置環(huán)形基座，包括基座腹板、基座面板，將環(huán)形基座腹板牢固地焊接在船底板上;選取支撐結(jié)構(gòu)加強(qiáng)范圍內(nèi)的吊艙式推進(jìn)器環(huán)形基座外側(cè)適當(dāng)距離的原船體強(qiáng)構(gòu)件，如龍骨、肋板或艙壁作為主框架，以環(huán)形基座中心為圓點(diǎn)向周圍主框架設(shè)置輻射形肘板，以便基座上的受力向主框架上有效傳遞;輻射形肘板在主框架外與原船體構(gòu)件形成連續(xù)結(jié)構(gòu)，使應(yīng)力分布更均勻;輻射肘板與環(huán)形基座面板采用圓弧過渡并牢固焊接，增加支撐結(jié)構(gòu)的整體剛度。必要時(shí)對支撐結(jié)構(gòu)加強(qiáng)范圍內(nèi)的原船體構(gòu)件采取加厚及加固等措施予以加強(qiáng);為滿足施工及維護(hù)要求，應(yīng)盡量均勻布置輻射肘板，合理選取肘板面板寬度，避免與原船體構(gòu)件形成狹小空間。

現(xiàn)介紹一例4 000 t級船舶吊艙推進(jìn)支撐結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)方法：目標(biāo)船吊艙功率1600 kW、環(huán)形基座腹板直徑2 060 mm、環(huán)形基座腹板板厚34 mm、環(huán)形基座面板板厚80 mm;原船船底結(jié)構(gòu)為橫骨架式，每600 mm設(shè)置實(shí)肋板、每2000 mm間距設(shè)置龍骨;根據(jù)吊艙安裝位置，選取距中1500 mm縱艙壁、距中6000mm旁內(nèi)龍骨、FR3、FR9實(shí)肋板作為吊艙支撐結(jié)構(gòu)的主框架，左右舷的實(shí)肋板過渡加厚至30 mm與環(huán)形基座腹板連接兼做輻射支撐肘板，面板過渡加厚至32 mm與環(huán)形基座面板連接;由吊艙環(huán)形基座面板中心向船首及船尾方向設(shè)置30 mm的輻射支撐肘板及32 mm的面板，在主框架外設(shè)置短龍骨繼續(xù)向首尾主橫艙壁延伸;各支撐肘板及相應(yīng)面板端部均設(shè)置圓弧過渡區(qū);船體外板由原12 mm加厚至16 mm，加厚范圍選取主框架以外200 mm范圍。吊艙支撐結(jié)構(gòu)形式，見圖2。

由圖2可以看出，本文設(shè)計(jì)的吊艙支撐結(jié)構(gòu)充分利用原有船舶構(gòu)件，結(jié)構(gòu)完整連續(xù)，構(gòu)件分布均勻，可保證施工及維護(hù)空間要求，具有良好的工藝性。

3? ? 船用吊艙支撐結(jié)構(gòu)校核

由于吊艙支撐結(jié)構(gòu)無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)及校核方法，因此需采用直接計(jì)算方法校核其強(qiáng)度、剛度是否滿足要求。下面結(jié)合上述4 000 t級船舶的吊艙支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例，采用有限元仿真方法對吊艙支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度及剛度校核。

3.1? 有限元模型

參考CCS《鋼制海船入級規(guī)范》第2篇第3章第7節(jié)甲板設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)直接計(jì)算的相關(guān)要求，為了更真實(shí)地模擬吊艙基座周圍力的傳遞對基座的影響以及基座隨船尾的整體變形情況，建模范圍取整個(gè)吊艙艙段從主甲板至船底板所有結(jié)構(gòu)[6]。

有限元模型采用右手坐標(biāo)系：原點(diǎn)設(shè)于尾垂線和基線相交處;x軸為沿船長方向向船首方向?yàn)檎?y軸為沿水平方向向左舷為正;z軸為垂向由原點(diǎn)向上為正。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)，將吊艙各類結(jié)構(gòu)用以下單元類型模擬[7]：

板殼元（四節(jié)點(diǎn)，shell181）：甲板、外板、縱艙壁及橫艙壁、基座及其面板、肋板、縱桁及強(qiáng)橫梁腹板等;

梁元（三節(jié)點(diǎn)，beam 189）：板材上的縱橫骨材、肋板上的面板、縱橫艙壁上扶強(qiáng)材、支柱等;

MPC單元：主從自由度用以加載集中外載，將法蘭盤安裝面上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)耦合于法蘭盤安裝面的中心上。

模型的網(wǎng)格尺寸最大為300 mm，共包含19353個(gè)shell單元、6 906個(gè)beam單元及2個(gè)MPC單元。

根據(jù)所選材料：屈服極限為235 Mpa;材料參數(shù)為E=2.01×1 011 pa;μ=0.3;ρ=7 850 kg/m3。

吊艙艙段及支撐結(jié)構(gòu)的有限元模型，如圖3、圖4所示。

3.2? ?邊界條件

參考CCS《鋼制海船入級規(guī)范》第2篇第3章第7節(jié)甲板設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)直接計(jì)算的邊界條件相關(guān)要求，應(yīng)在主要支撐結(jié)構(gòu)處設(shè)置位移約束。因此將吊艙艙段首端的主橫艙壁與外板及甲板相交處的節(jié)點(diǎn)做簡支約束。

3.3? ?載荷

根據(jù)設(shè)備資料，吊艙產(chǎn)生的載荷合成后為：重力342 kN、徑向螺旋槳產(chǎn)生的拉力589 kN、傾斜力矩1456 kN·m、轉(zhuǎn)舵時(shí)產(chǎn)生的水平力矩443 kN·m。由于吊艙可360 °旋轉(zhuǎn)，因此選取0、±45°、±90°、±135°及180°方向推進(jìn)共8種計(jì)算工況，各工況載荷換算值如表1所示。

在具體施加載荷時(shí)，在吊艙環(huán)形基座的安裝面上建立剛性域，將環(huán)形基座上各個(gè)節(jié)點(diǎn)耦合于環(huán)形基座安裝面中心的節(jié)點(diǎn)上，將載荷施加于中心節(jié)點(diǎn)上。載荷施加示意圖，如圖5所示。

3.4? 校核衡準(zhǔn)

由于吊艙推進(jìn)器與船體外板間的距離、角度等對推進(jìn)器周圍流場有巨大影響，影響推進(jìn)器的推進(jìn)效率。若吊艙推進(jìn)器支撐結(jié)構(gòu)在推進(jìn)器運(yùn)行過程中發(fā)生過大的相對變形，將導(dǎo)致推進(jìn)器與船體外板間的距離、角度偏離設(shè)計(jì)值，從而降低推進(jìn)效率甚至產(chǎn)生安全隱患。因此，不同于其他以強(qiáng)度校核為主要指標(biāo)的支撐結(jié)構(gòu)，吊艙推進(jìn)器支撐結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)還應(yīng)滿足嚴(yán)苛的剛度要求。參考CCS《鋼制海船入級規(guī)范》第2篇第3章第7節(jié)甲板設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)直接計(jì)算的許用應(yīng)力相關(guān)要求，吊艙支撐結(jié)構(gòu)校核衡準(zhǔn)取為：基座區(qū)域允許最大相對變形（即法蘭盤安裝面與相鄰區(qū)域原船體外板間的相對變形）為1 mm;合成應(yīng)力的許用值為235 Mpa。

3.5? ?計(jì)算結(jié)果

通過仿真計(jì)算分析，可得到吊艙推進(jìn)器各角度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的合成應(yīng)力結(jié)果、法蘭盤安裝面節(jié)點(diǎn)的位移及計(jì)算得出的最大相對位移數(shù)值，如表2所列。

由表2所列結(jié)果及位移云圖（略）可知：吊艙在各工況推進(jìn)時(shí)，吊艙推進(jìn)器支撐結(jié)構(gòu)上的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在與吊艙推進(jìn)器基座腹板相連的外板上;最大相對變形均出現(xiàn)在吊艙推進(jìn)器基座的面板上;各工況下應(yīng)力及變形數(shù)值均小于相應(yīng)限值，即吊艙推進(jìn)器支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及剛度均滿足相關(guān)校核衡準(zhǔn)要求。

在滿足強(qiáng)度及剛度要求基礎(chǔ)上，為減輕重量進(jìn)一步對支撐結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的布置及尺寸選取進(jìn)行對比分析，得到支撐結(jié)構(gòu)各部件的合理布置范圍及規(guī)格區(qū)間如下：吊艙支撐結(jié)構(gòu)加強(qiáng)范圍以距吊艙推進(jìn)器環(huán)形基座中心2.5～3.0倍吊艙環(huán)形基座直徑距離為宜;主框架選取在距吊艙式推進(jìn)器環(huán)形基座中心2.0～2.5倍吊艙環(huán)形基座直徑距離為宜;輻射肘板間距以1.0～1.5倍肋距為宜;肘板腹板板厚一般不小于環(huán)形基座腹板的0.8倍、面板板厚一般取腹板厚度加2 mm以上;支撐結(jié)構(gòu)加強(qiáng)范圍內(nèi)的桁材、肋板等構(gòu)件宜加厚至與輻射肘板等厚;基座附近的外板應(yīng)較原外板增厚約0.4倍為宜;增厚范圍以吊艙在外板開口直徑的1.5～2.0倍為宜。以此形成一個(gè)滿足船用吊艙安裝和使用要求且輕量化的吊艙支撐結(jié)構(gòu)。

4? ? 結(jié)語

船用吊艙推進(jìn)器支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是吊艙應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。為設(shè)計(jì)出能滿足設(shè)備強(qiáng)度及剛度要求，同時(shí)保證施工及維護(hù)空間要求及重量輕，結(jié)構(gòu)簡潔的吊艙支撐結(jié)構(gòu)，應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)原則：（1）合理選取支撐結(jié)構(gòu)加強(qiáng)范圍，最大限度節(jié)省空間資源;（2）采取輻射型結(jié)構(gòu)型式，加強(qiáng)構(gòu)件布置應(yīng)盡量均勻;（3）利用強(qiáng)構(gòu)件形成主框架，增加支撐結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度及剛度;（4）保證構(gòu)件連續(xù)性，主要構(gòu)件盡量向首尾主橫艙壁處延伸;（5）所有構(gòu)件應(yīng)合理過渡，避免結(jié)構(gòu)突變造成應(yīng)力集中;（6）必要時(shí)對支撐結(jié)構(gòu)加強(qiáng)范圍內(nèi)的原船體構(gòu)件采取加厚及加固等措施予以加強(qiáng);（7）合理選取支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸，盡量控制支撐結(jié)構(gòu)重量;（8）合理選取構(gòu)件面板寬度，避免形成狹小空間影響設(shè)備施工及維護(hù);（9）充分利用原船體構(gòu)件，節(jié)約總體資源。

由上述仿真計(jì)算校核結(jié)果可知，依據(jù)本文設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則設(shè)計(jì)的吊艙式推進(jìn)器支撐結(jié)構(gòu)合理有效：輻射式支撐肘板能夠有效地向各個(gè)方向傳遞吊艙式推進(jìn)器不同角度操縱時(shí)的受力;輻射肘板與基座間的圓弧過渡連接減小了局部應(yīng)力集中;輻射肘板在主框架之外延續(xù)與原有船體主要構(gòu)件連接，減小了結(jié)構(gòu)突變，使得整個(gè)吊艙支撐結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)應(yīng)力較小且分布較均勻;連續(xù)、封閉的主框架牢固而穩(wěn)定，有效的限制了結(jié)構(gòu)及設(shè)備變形，滿足設(shè)備運(yùn)行時(shí)嚴(yán)苛的剛度要求。

現(xiàn)行規(guī)范尚未有關(guān)于吊艙式推進(jìn)器支撐結(jié)構(gòu)的完整的校核方法及衡準(zhǔn)。本文從設(shè)備使用要求出發(fā)，給出了吊艙支撐結(jié)構(gòu)校核的思路，采用有限元仿真分析方法，直觀的展示了吊艙推進(jìn)器支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形分布。本文提供的仿真模型模擬原則、計(jì)算工況的簡化和選取、約束的選取、校核衡準(zhǔn)的選取等，對同類船舶吊艙推進(jìn)器支撐結(jié)構(gòu)的校核及進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)具有較好的指導(dǎo)意義。

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