L 型全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器船體支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

宋 揚(yáng)，李文華，張 偉，王燕舞

(中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

0 引 言

作為一種新型的船舶推進(jìn)系統(tǒng)，全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器具有適裝性好、操縱性優(yōu)良、布置簡(jiǎn)便、可靠性高、維護(hù)方便等突出優(yōu)點(diǎn)。目前市場(chǎng)上存在多種類型的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，包括Z型全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器、L型全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器以及吊艙式推進(jìn)器等。發(fā)展到現(xiàn)在，全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器已在諸如豪華郵輪、海洋工程船、民用運(yùn)輸船、科考/公務(wù)船、破冰船等多種船型上得到應(yīng)用。

對(duì)于不同類型的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，其船體支撐結(jié)構(gòu)的受力形式、構(gòu)件設(shè)計(jì)和計(jì)算驗(yàn)證亦隨之有所區(qū)別。為此，以中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院（MARIC）研發(fā)的某新型6 000 噸級(jí)科考船為例，總結(jié)其船體支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路和特點(diǎn)，并求解L型全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器梁系簡(jiǎn)化模型的承力解析解，再運(yùn)用有限元方法進(jìn)行驗(yàn)證分析。6 000 噸級(jí)科考船實(shí)船安裝L型全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器如圖1所示。

圖1 6 000 噸級(jí)科考船L型全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器Fig. 1 L-shaped azimuth thruster of the 6 000 tons scientific research vessel

1 船級(jí)社相關(guān)規(guī)范

1.1 構(gòu)件布置要求

隨著全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器在越來越多船型上得到運(yùn)用，各家船級(jí)社也陸續(xù)推出了針對(duì)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器支撐結(jié)構(gòu)的具體要求。全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的船體支撐結(jié)構(gòu)系指承托吊臂的底座圈梁及其面板和與其相連及周圍的支撐桁材、肋板所組成的正交格柵板架[8]，典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器典型支撐結(jié)構(gòu)Fig. 2 Typical support structure of azimuth thruster

1.2 許用應(yīng)力衡準(zhǔn)

對(duì)于全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的支撐結(jié)構(gòu)各家船級(jí)社都要求進(jìn)行直接計(jì)算強(qiáng)度評(píng)估，關(guān)于直接計(jì)算的許用應(yīng)力衡準(zhǔn)，中國船級(jí)社（CCS）《鋼制海船入級(jí)規(guī)范》、英國勞氏船級(jí)社（LR）《Rules and Regulations for the Classification of Naval Ships》以及國際船級(jí)社協(xié)會(huì)（IACS）《Common Structural Rules for Bulk Carriers（CSR）》中有關(guān)規(guī)定，如表1所示。

表1 許用應(yīng)力衡準(zhǔn)Tab. 1 Criteria of allowable stress

由表1可以看出：

1）只有CCS明確給出了正常工況和極限工況的應(yīng)力衡準(zhǔn)，LR規(guī)范對(duì)于極限工況的應(yīng)力衡準(zhǔn)模糊解釋為可適當(dāng)放寬，需要針對(duì)具體船型進(jìn)行討論；

2）CCS與LR關(guān)于正常工況的許用應(yīng)力衡準(zhǔn)要求相近，但CCS沒有給出細(xì)網(wǎng)格合成應(yīng)力的衡準(zhǔn)；

3）CSR規(guī)范對(duì)散貨船上全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器支撐結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力衡準(zhǔn)提出了嚴(yán)苛的要求，在此類型船的設(shè)計(jì)中需要特別關(guān)注。

基于所選取的研究對(duì)象，選定CCS的相關(guān)規(guī)定作為后續(xù)直接計(jì)算的許用應(yīng)力衡準(zhǔn)。

2 L型全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目標(biāo)船采用羅爾斯·羅伊斯公司的新式L型全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，推進(jìn)器分為上下兩部分，便于設(shè)備的交付與維修，其在上部船體內(nèi)集成了一個(gè)高效的永磁電機(jī)，盡量減少所占用的船體空間。

對(duì)于該推進(jìn)器，在設(shè)計(jì)時(shí)采用單底支撐的結(jié)構(gòu)形式，利用輻射型的短桁材將基座與底部縱桁、肋板相連，同時(shí)將短桁材面板在基座連接處做成圓弧形趾端，增加基座連接強(qiáng)度的同時(shí)減小應(yīng)力集中系數(shù)，其支撐結(jié)構(gòu)平面如圖3所示。為了盡量提高基座區(qū)域的剛度，滿足設(shè)備商關(guān)于船體支撐結(jié)構(gòu)剛度的要求，應(yīng)充分利用推進(jìn)器周邊平臺(tái)甲板、縱艙壁、橫艙壁等剛性更強(qiáng)的構(gòu)件作為支撐結(jié)構(gòu)的端部，最終形成一個(gè)完整的船體支撐結(jié)構(gòu)承力框架。

圖3 6 000 噸級(jí)科考船單底支撐結(jié)構(gòu)平面Fig. 3 Support structure plan of 6 000 tons vessel

與其他類型全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器相比，該推進(jìn)器整體式的嵌入船體內(nèi)，典型剖面如圖4所示。盡管此種布置會(huì)占用部分船體內(nèi)部空間，卻可以大幅提升支撐結(jié)構(gòu)腹板圈梁高度，同時(shí)船體結(jié)構(gòu)在基座面板連接處和船體外板處對(duì)推進(jìn)器形成有效支撐，最終使得這種L型全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器支撐結(jié)構(gòu)可以承受更大功率推進(jìn)器載荷，適用于功率較大、尾部空間較富裕的中型科考船上使用。

圖4 6 000 噸級(jí)科考船支撐結(jié)構(gòu)典型剖面Fig. 4 Typical support structure section of 6 000 tons vessel

3 基于梁系簡(jiǎn)化模型載荷計(jì)算

根據(jù)設(shè)備商資料，6 000 噸級(jí)科考船L型全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器受力示意如圖5所示，有重力G，水動(dòng)力平面載荷（包含舵力和螺旋槳推力）Fres，水動(dòng)力垂向載荷Fz以及轉(zhuǎn)舵扭矩Ms。

圖5 6 000 噸級(jí)科考船推進(jìn)器受力示意圖Fig. 5 The force of 6 000 tons vessel’s azimuth thruster

由于設(shè)備商直接給出了螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)中心處的平面載荷以及垂向載荷，可將其簡(jiǎn)化為梁系模型進(jìn)行分析，其中基座平面處（A點(diǎn)）邊界條件取為剛性固定，船體外板處（B點(diǎn)）邊界條件取為自由支持，螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)中心處（C點(diǎn)）取為自由端，受力簡(jiǎn)圖如圖6所示。為求解此超靜定結(jié)構(gòu)，暫不考慮垂直方向的受力，根據(jù)力法原理，將其分解為2根單跨梁，如圖7所示。

圖6 推進(jìn)器受力簡(jiǎn)圖Fig. 6 The force sketch of azimuth thruster

利用A點(diǎn)處轉(zhuǎn)角為0的邊界條件便可求解此梁系結(jié)構(gòu)，其力學(xué)方程如下：

圖7 力法分解受力簡(jiǎn)圖Fig. 7 The sketch of structural force method

再考慮推進(jìn)器垂直方向的平衡方程

聯(lián)立求解式（1）和式（2），便可最終得出A，B點(diǎn)處的承力解析解：

4 有限元分析驗(yàn)證

為驗(yàn)證L型全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器梁系簡(jiǎn)化模型解析解的正確性及合理性，僅以推進(jìn)器正常工況為研究對(duì)象，運(yùn)用MSC的Patran/Nastran通用軟件進(jìn)行有限元分析驗(yàn)證。

4.1 有限元模型

選取全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器支撐結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，模型縱向范圍為尾封板～FR8水密橫艙壁，橫向范圍為整個(gè)船寬，垂向范圍為整個(gè)型深。

模型主要采用2D-Shell單元，1D-Beam單元。網(wǎng)格單元大小為200×200 mm左右，高應(yīng)力區(qū)域的網(wǎng)格適當(dāng)細(xì)化。甲板板、艙壁板、主要支撐構(gòu)件（縱桁和強(qiáng)橫梁）的腹板、基座板用Shell單元模擬，主要支撐構(gòu)件面板用Beam單元模擬。

模型的邊界條件為在FR8水密橫艙壁處進(jìn)行簡(jiǎn)支，約束X、Y、Z方向的位移，有限元模型如圖8所示。

4.2 載荷工況

推進(jìn)器載荷（重力G，水動(dòng)力平面載荷Fres，水動(dòng)力垂向載荷Fz以及轉(zhuǎn)舵扭矩Ms）由羅爾斯·羅伊斯公司提供，根據(jù)設(shè)備商資料，該船全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器有2種運(yùn)行模式，即巡航模式和機(jī)動(dòng)模式。

圖8 有限元模型Fig. 8 Finite element model

巡航模式最大允許角度范圍為+/-35°，為推進(jìn)器在最大功率和轉(zhuǎn)速下運(yùn)行；機(jī)動(dòng)模式可以360°旋轉(zhuǎn)但功率受到限制，僅承受螺旋槳推力且只能在10 kn航速以下使用。最終選定0°，+/-15°，+/-35°，+/-60°，+/-90°，+/-120°，+/-150°以及180°共計(jì)14種典型方位角進(jìn)行有限元校核，在進(jìn)行有限元分析時(shí)重力考慮1.8倍船體加速度，其余載荷考慮1.25倍的安全系數(shù)。

選擇2種載荷施加方式來進(jìn)行推進(jìn)器支撐結(jié)構(gòu)有限元分析：

1）由于推進(jìn)器自身剛度足夠強(qiáng)，可將該推進(jìn)器模擬單元作近似剛性體處理從而建立推進(jìn)器的3D簡(jiǎn)化模型，采用MPC形式，將設(shè)備商提供的推進(jìn)器載荷直接加載到螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)中心處，其加載模型如圖9所示，校核工況如表2所示，此種加載方式后續(xù)簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)化模擬加載；

2）去除有限元模型中推進(jìn)器的模擬單元，運(yùn)用計(jì)算式（3）得到基座平面處（A點(diǎn)）和船體外板處（B點(diǎn)）船體結(jié)構(gòu)的受力解析解，采用MPC形式，將A點(diǎn)和B點(diǎn)載荷分別加載到船體結(jié)構(gòu)處，其加載模型如圖10所示，校核工況如表3所示，此種加載方式后續(xù)簡(jiǎn)稱解析解加載。

圖9 簡(jiǎn)化模擬加載模型Fig. 9 Simplified simulation model

表2 簡(jiǎn)化模擬加載校核工況Tab. 2 Loading condition of simplified simulation

圖10 解析解加載模型Fig. 10 Theoretical solution model

表3 解析解加載校核工況Tab. 3 Loading condition of theoretical solution

表4 兩種加載方式計(jì)算結(jié)果Tab. 4 The result of simplified simulation model and theoretical solution model

4.3 計(jì)算結(jié)果

通過有限元分析，可得到正常工況下全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器各角度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的正應(yīng)力、剪應(yīng)力以及合成應(yīng)力，應(yīng)力衡準(zhǔn)參照CCS規(guī)定。此外，從實(shí)船安裝、使用角度出發(fā)，座圈結(jié)構(gòu)相對(duì)變形即船體支撐結(jié)構(gòu)的剛度問題更值得關(guān)注，設(shè)備商往往對(duì)此相對(duì)變形量提出較為嚴(yán)苛的要求。所謂相對(duì)變形量即全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器基座法蘭盤安裝面與相鄰區(qū)域船體外板間的變形位移差，與設(shè)備商確認(rèn)后將相對(duì)變形量的衡準(zhǔn)取為1 mm。

讀取有限元結(jié)果可得到2種加載方式的應(yīng)力、變形結(jié)果，如表4所示。

由表4可知：

1）該全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足CCS規(guī)范要求，相對(duì)位移量也滿足設(shè)備商對(duì)船體剛度的要求，其中結(jié)構(gòu)強(qiáng)度裕度較大，這是因?yàn)橹谓Y(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸主要由船體剛度決定；

2）2種加載方式應(yīng)力分布及變形趨勢(shì)一致，最大合成應(yīng)力出現(xiàn)在+35°工況，最大相對(duì)變形量出現(xiàn)在-35°工況，但解析解加載方式的計(jì)算結(jié)果偏安全，這主要源于所采用力學(xué)模型在邊界條件、載荷作用形式等方面作出的偏安全簡(jiǎn)化。

5 結(jié) 語

本文通過對(duì)某6 000 噸級(jí)科考船L型全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器船體支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，得出以下結(jié)論：

1）單底支撐結(jié)構(gòu)形式在中型科考船上的設(shè)計(jì)是可行的，能夠同時(shí)滿足船級(jí)社關(guān)于船體強(qiáng)度和設(shè)備商關(guān)于船體剛度的要求，無須采用剛度更強(qiáng)但形式復(fù)雜的雙層底結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)思路和特點(diǎn)可供后續(xù)類似船型參考；

2）驗(yàn)證了L型全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器梁系簡(jiǎn)化模型解析解的正確性與合理性，可用于初始設(shè)計(jì)階段載荷快速估算，為支撐結(jié)構(gòu)前期設(shè)計(jì)提供參考，避免后續(xù)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的方案修改，亦可直接用于推進(jìn)器支撐結(jié)構(gòu)的有限元分析。