全回轉舵槳裝置基座及其加強結構強度分析

周林 黃渙青 黎劍

摘? ? 要：舵槳裝置基座及其加強結構受力狀態(tài)和結構形式復雜。本文選取一艘42 t系柱拖力港作拖輪為研究對象，闡述全回轉舵槳裝置基座結構強度計算的具體方法和過程。通過結構有限元軟件對舵槳裝置基座及其加強結構施加甲板壓頭、外板和舵槳底部水壓頭、舵槳載荷、重力加速度，模擬其在不同工況下的強度評估，將計算數(shù)據(jù)與校核衡準進行比對，結果顯示結構強度及評估符合設計規(guī)范及技術要求。并根據(jù)計算結果進行結構優(yōu)化，對后續(xù)的全回轉舵槳裝置基座結構設計起到一定的參考作用。

關鍵詞：舵槳裝置基座;有限元;強度

中圖分類號：U663.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： The force state and the structure form of the azimuth thruster foundation and its reinforcement structure are complex. In this paper， a 42 t BP harbor tug is selected as the research object， and the concrete method and process of calculating the structural strength of the azimuth thruster foundation are expounded. The structures of the azimuth thruster foundation and its reinforcement structure under different working conditions， such as deck pressure， shell and thruster bottom pressure， thruster load and gravity are stimulated and analyzed by the Finite Element software， the calculated data are compared with the rule criteria， the results show that the structural strength and evaluation meet the design specifications and technical requirements. Based on the calculation results， the structure is optimized， which plays a certain reference role in the subsequent design of the azimuth thruster foundation.

Key words： Azimuth thruster foundation; Finite Element method; Strength

1? ? ?引言

全回轉舵槳裝置可根據(jù)需要隨時改變螺旋槳的推進方向，從而完成船舶的方向改變。隨著人們對船舶操縱性的要求不斷提高，全回轉舵槳不斷應用于各類工程船舶。由于舵槳裝置質(zhì)量大、結構復雜、受力狀態(tài)變化多樣，為確保舵槳裝置基座及加強結構強度滿足要求，應用有限元方法，全面研究舵槳裝置基座及加強結構在外載荷作用下的響應。

2? ? ?模型概述

本文選取一艘42 t系柱拖力港作拖輪為研究對象，采用MSC.Patran&Nastran有限元軟件進行分析。首先建立有限元模型，并根據(jù)美國船級社（ABS）規(guī)范《Rules for building and classing steel vessels under 90 meters in length》（2014）（簡稱《規(guī)范1》）和《Rules for building and classing steel vessels》（2014）[4] （簡稱《規(guī)范2》）要求，對計算結果進行校核。

2.1? ?舵槳布置

本船在尾部設置兩套360°全回轉舵槳推進裝置（每臺1 800PS），帶導流罩，舵槳裝置與基座采用螺栓連接形式詳見圖1和圖2。

2.2? ?有限元模型

本船采用局部三維結構模型，模型范圍為：長度方向從船尾至FR13;寬度方向從右舷舷側至左舷舷側;高度方向從船底至主甲板。

本模型采用梁單元模擬普通橫梁、肋骨，以及強橫梁、縱桁、水平桁、垂直桁的面板和肘板的面板。整個模型共有梁單元4 320個;采用板單元模擬尾部舵槳基座區(qū)域外板、甲板板、艙壁板，以及強肋骨、甲板強橫梁、甲板縱桁、水平桁、垂直桁的腹板和肘板的腹板，共30 939個板單元;舵槳裝置重量用質(zhì)量點模擬，位置在其重心處。有限元模型見圖3和圖4，共有29 849個節(jié)點。

模型采用國際單位制建模，網(wǎng)格大小約為100mmx100 mm，在舵槳裝置質(zhì)量點與基座連接處采用MPC剛性連接（按連接螺栓分布）。

船體材料采用船用低碳鋼，其彈性模量E為2.06×1011 N/m2、密度為7850 kg/m3、泊松比為0.3、屈服強度為235 MPa。

3? ? ? 邊界條件和載荷工況

3.1? ? 邊界條件

將模型FR13橫截面剛性約束。

3.2? ? 設計工況

考慮到舵槳裝置的運動方式以及船體尾部的結構形式（左右對稱），根據(jù)舵槳螺旋槳指定方向共設置10個工況進行計算：舵槳螺旋槳指向0o、45 o、90 o、135 o、180 o，每個角度舵槳有順時針和逆時針的扭矩，詳見表1。由于本船在港口內(nèi)作業(yè)，風浪較小，可忽略船舶運動和風浪載荷對計算結果的影響。

3.3? ?甲板載荷

根據(jù)《規(guī)范1》3-2-3/3.1.1，計算得到甲板壓頭為17597 N/m2，將載荷施加到甲板面上。

3.4? ?外板和舵槳底部水壓力

由于本船最大吃水為3.5 m，且在最大吃水時舵槳底板在水下，因此計算時要在外板和舵槳底部施加水壓力載荷。其中舵槳底板的載荷，通過均布力的形式均布到基座面板上。

3.5? ?舵槳裝置載荷

根據(jù)設備商提供資料，單個舵槳裝置載荷為F=300000 N，Moment=73 977 kN*m。將載荷施加到舵槳重心處的質(zhì)量點上（質(zhì)量為舵槳重量17 t），見圖5。

4? ? ?許用衡準

根據(jù)《規(guī)范2》Part3-chapter2-section14，基座及其加強結構的許用應力，見表2。

5? ? ?計算應力匯總

對不同工況下各評估區(qū)域的最大應力進行整理，具體計算結果見表3，計算位移見圖6～圖14。

6? ? ?結論及展望

本文利用MSC Patran&Nastran有限元軟件，對全回轉舵槳裝置的基座及其加強結構進行強度分析。根據(jù)計算結果，對基座肘板的布置進行了優(yōu)化，將舵槳基座肘板設計成沿圓周發(fā)散，使基座肘板與船底龍骨和肋板合理受力連接;充分考慮了各工況下，經(jīng)調(diào)整結構尺寸進行優(yōu)化后的基座受力、加強結構受力的有效傳遞。

計算結果表明該結構設計應力分布合理，強度同時滿足《規(guī)范1》和《規(guī)范2》的相關要求。該分析過程可為類似船的基座設計及其加強結構設計提供參考。

參考文獻

[1] 趙尚輝，任鴻，孫雪榮，李福軍，黃守成. 舵槳裝置基座及加強結構的強度研究[J]. 上海造船，2008（3）.

[2] 黃聰，劉兵山. Patran從入門到精通[M]. 北京： 中國水利水電出版社，2003.

[3] American Bureau of Shipping， Rules for building and classing steel vessels under 90 meters in length[S]， ABS? 2014.

[4] American Bureau of Shipping，Rules for building and classing steel vessels [S]，? ABS，? 2014.