某海洋調(diào)查船輪緣側(cè)推裝置載荷及強(qiáng)度分析

左新平，林昭友，鄭銳聰

（1. 中交四航局江門(mén)航通船業(yè)有限公司, 江門(mén) 529145；2. 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局, 廣州 510075：3. 廣州海工船舶設(shè)備有限公司, 廣州 511495）

1 前言

現(xiàn)代海洋調(diào)查船大都安裝了側(cè)推裝置，用于船舶動(dòng)態(tài)定位和橫向操縱。傳統(tǒng)側(cè)推裝置大多采用隧道式，垂向位置固定，不能動(dòng)態(tài)適應(yīng)船舶不同的裝載工況；而伸縮式側(cè)推裝置能夠根據(jù)船舶吃水動(dòng)態(tài)升降，成為一種新的選擇形式。特別是輪緣式推進(jìn)裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靜音特性較好，更適合海洋調(diào)查船的低振動(dòng)噪聲要求。

由于輪緣側(cè)推裝置設(shè)計(jì)較為新穎，其受力計(jì)算方法尚沒(méi)有規(guī)范。為評(píng)估某海洋調(diào)查船采用的新型輪緣側(cè)推裝置強(qiáng)度問(wèn)題，建立船-側(cè)推裝置整體模型，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)雷諾平均（RANS）方法，并考慮自由面的影響，計(jì)算船舶在前進(jìn)航速下的水動(dòng)力，得到船-側(cè)推裝置受力及載荷分布特性；在此基礎(chǔ)上，將載荷結(jié)果導(dǎo)入有限元模型，通過(guò)單向流固耦合方法對(duì)側(cè)推裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析，得到側(cè)推裝置應(yīng)力/應(yīng)變分布。根據(jù)強(qiáng)度評(píng)估得知，側(cè)推裝置的最大變形出現(xiàn)在封板遠(yuǎn)離支架處，且強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

2 輪緣側(cè)推裝置設(shè)計(jì)

某海洋地質(zhì)調(diào)查船，主尺度參數(shù)為：船長(zhǎng)85 m，垂線長(zhǎng)77.75 m，船寬22 m，型深8.0 m，吃水為6.3 m，排水量7 614 t；船體線型設(shè)計(jì)為：首部采用垂直首，尾部采用適合全回轉(zhuǎn)推進(jìn)裝置的縱流形船尾。

該船在船首110#肋位處安裝有動(dòng)力定位用的側(cè)推裝置，側(cè)推裝置采用輪緣推進(jìn)形式：輪緣內(nèi)部具備槳轂，輪緣導(dǎo)流罩底部有圓形封板，導(dǎo)流罩和封板之間有加強(qiáng)筋。輪緣推進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。

圖1 輪緣推進(jìn)裝置基本結(jié)構(gòu)示意圖

由于取消了傳統(tǒng)的動(dòng)力傳動(dòng)軸系，輪緣推進(jìn)裝置將螺旋槳、電機(jī)和軸承進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)制造，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景又可為升降式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈活等特點(diǎn)。

本文主要研究側(cè)推裝置在流載荷作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題，暫不考慮槳葉脈動(dòng)壓力及其他載荷作用，所以進(jìn)行三維建模時(shí)對(duì)槳葉作簡(jiǎn)化處理，僅對(duì)側(cè)推裝置承受載荷的關(guān)鍵部分進(jìn)行三維建模，包括輪緣導(dǎo)流罩殼、封板、翼板及內(nèi)部槳轂部分。

為了精確分析船舶航行過(guò)程中流場(chǎng)對(duì)側(cè)推裝置的影響，按照側(cè)推裝置在船舶實(shí)際布置建立船槳整體的三維建模，如圖2所示。

圖2 船-側(cè)推裝置整體模型

3 輪緣側(cè)推裝置受力及載荷分析

輪緣推進(jìn)裝置承受的載荷，主要為側(cè)推裝置在船舶航行時(shí)受到的水流沖擊載荷，其主要和側(cè)推裝置的布置位置及具體流場(chǎng)相關(guān)。

因此，對(duì)于側(cè)推裝置強(qiáng)度分析需結(jié)合其船型布置特征進(jìn)行整體考核。在水流沖擊載荷評(píng)估方面，將其作為自由面擾流問(wèn)題來(lái)解決，采用VOF方法處理自由面，求解問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型的控制方程，包括：連續(xù)性方程、體積分?jǐn)?shù)方程、動(dòng)量方程，以及湍流模型的方程和方程。

3.1 控制方程

考慮不可壓縮黏性流，連續(xù)性方程和動(dòng)量方程分別為：

式中：t為時(shí)間；為密度；為控制體；為控制體的面積；U為控制體面積法向向量的速度；U和p分別為速度和壓力；U為在坐標(biāo)軸方向上的平均速度分量；τ和g分別為黏性應(yīng)力張量和重力矢量；I和I分別為方向向量。

3.2 湍流模型

采用SST湍流模型，其湍動(dòng)能和湍流耗散率的輸運(yùn)方程分別為：

式中：μ為分子黏度；x為坐標(biāo)軸；U為在xj坐標(biāo)軸方向上的平均速度分量；μt為湍流渦黏度；t為湍流雷諾應(yīng)力張量；為平均應(yīng)變率張量；F為輔助混合函數(shù)；P為ω的導(dǎo)出項(xiàng)；，σ 和σ分別為湍流模型常數(shù)。

3.3 自由面捕捉算法

采用VOF方法捕捉自由面，其基本思路為采用構(gòu)成函數(shù)c，空氣和水作為單一流體同時(shí)計(jì)算。其中，c在空氣中取值為0，在水中取值為1，如下式所示：

自由液面捕捉算法具有更好的靈活性和適應(yīng)性，可較好地船體周?chē)鲌?chǎng)的變化。

3.4 離散格式

控制方程采用隱式有限體積法進(jìn)行離散，直接求解三維黏性不可壓多相流的RANS方程，具有2階空間和時(shí)間精度，動(dòng)量方程離散采用GDS格式，時(shí)間離散采用時(shí)間步進(jìn)算法；自由液面捕捉采用BRICS可壓縮型離散格式，能減小自由液面附近構(gòu)成函數(shù)的數(shù)值擴(kuò)散。

3.5 計(jì)算區(qū)域

由于計(jì)算水流速度較低，且船舶和側(cè)推裝置尺度差異較大。為最大程度消除尺度效應(yīng)的影響，本計(jì)算采用實(shí)尺度完整船舶計(jì)算，計(jì)算區(qū)域設(shè)置為6L×3 L×2L，前邊界設(shè)置為船前1.5L、后邊界為船后3.5L處、左/右邊界為船側(cè)1.5L、上邊界為水線以上0.5 L處、下邊界為水線以下1.5L處。計(jì)算區(qū)域如圖3所示。

圖3 船-側(cè)推裝置水動(dòng)力計(jì)算域設(shè)置

計(jì)算域邊界條件設(shè)置為：上下邊界取為壓力邊界，前后及左右邊界全部設(shè)置為為遠(yuǎn)流場(chǎng)邊界條件；船體甲板面為滑移面，其他物面為不可滑移物面條件；在求解過(guò)程中存在時(shí)間偏導(dǎo)項(xiàng)，船體從靜止加速到給定航速，給定航速求解至收斂。

3.6 網(wǎng)格劃分

計(jì)算網(wǎng)格質(zhì)量影響數(shù)值計(jì)算的效率和準(zhǔn)確性。本文采用FINE/Marine水動(dòng)力計(jì)算軟件，使用該軟件自帶的網(wǎng)格生成器，通過(guò)網(wǎng)格粗化、網(wǎng)格細(xì)化、網(wǎng)格吸附以及邊界層插入、形成貼體的全六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；在網(wǎng)格尺寸設(shè)置方面，根據(jù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于自由面網(wǎng)格進(jìn)行充分加密，以捕捉自由面波形的影響；對(duì)船舶側(cè)推裝置封板、翼板和輪緣導(dǎo)流罩進(jìn)行充分加密，以反映側(cè)推裝置外形尺寸的影響：

根據(jù)Y+確定邊界層網(wǎng)格尺寸，如上式（6）所示。本次計(jì)算設(shè)置Y+為100左右。全部網(wǎng)格帶側(cè)推裝置，計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)為580萬(wàn)；網(wǎng)格質(zhì)量通過(guò)正交性來(lái)保證，絕大部分網(wǎng)格正交性為90 deg，最小正交性為23.5 deg。計(jì)算區(qū)域設(shè)置及船體-裝置表面網(wǎng)格劃分如圖3～4所示。

圖4 船-側(cè)推裝置表面網(wǎng)格劃分

為充分考慮側(cè)推裝置在各個(gè)前進(jìn)航速下承受的載荷，計(jì)算時(shí)以船舶縱向航行、側(cè)推裝置軸線與船舶中縱向剖面呈90°夾角時(shí)受到的載荷最大；根據(jù)船舶常用的前進(jìn)速度3 kn、4 kn和5 kn，計(jì)算船舶及側(cè)推裝置受到的阻力及水動(dòng)力載荷。

3.7 計(jì)算結(jié)果分析

本次計(jì)算采用類(lèi)似船型裸船+附體驗(yàn)證的方式，計(jì)算精度在3%以?xún)?nèi)。對(duì)于在不同航速（水流）受到的阻力差異較大，具體計(jì)算值如表1所示?？梢钥闯?，側(cè)推裝置在水流速度為5 kn時(shí)候承受的載荷最大，達(dá)到5.07 kN。

表1 不同流速下的受力，單位kN

側(cè)推裝置在水流作用下，承受的水動(dòng)力載荷，如圖5所示。

圖5 船-側(cè)推裝置水動(dòng)力載荷分布

由圖5可以看出：不同航速下側(cè)推裝置承受的載荷分布位置基本相似，都位于導(dǎo)流罩及翼板加強(qiáng)筋的迎風(fēng)面；承受的載荷大小根據(jù)航速不同差異較大，在航速5 kn時(shí)，承受載荷最大為3 900 pa，這種載荷數(shù)值相對(duì)很小。

側(cè)推裝置除了承受水動(dòng)力載荷之外，還受到潛水深度的靜壓力載荷，兩者合成為側(cè)推裝置承受的總的載荷，如圖6所示。

圖6 船-側(cè)推裝置總載荷分布

上圖為側(cè)推裝置在不同航速下所承受的靜水壓力載荷，可以看出，水動(dòng)力載荷相比于靜壓載荷是個(gè)小量，所以側(cè)推裝置以承受靜水壓力載荷為主，正比于吃水深度，最大壓力載荷為0.8 Mpa，相對(duì)亦較小。

4 輪緣側(cè)推裝置強(qiáng)度分析

4.1 有限元模型建立

輪緣側(cè)推裝置受力分析和強(qiáng)度校核，采用Ansys軟件進(jìn)行有限元仿真。該輪緣側(cè)推裝置裝置采用Q235鋼裝配制造而成，由于該裝置的各部分結(jié)構(gòu)分別采用螺栓或焊接等方式進(jìn)行緊固，故在接觸設(shè)置時(shí)均采用綁定設(shè)置。

網(wǎng)格劃分采用體網(wǎng)格方式，其中輪緣側(cè)推裝置模型網(wǎng)格尺寸為20 mm，單元總數(shù)為878 894，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為487 460。上述網(wǎng)格劃分方式下，網(wǎng)格質(zhì)量符合正態(tài)分布，均集中于0.6～1.0區(qū)間內(nèi)。

根據(jù)輪緣側(cè)推裝置水下靜壓及水動(dòng)力載荷分布圖，可知在船速為5 kn時(shí)，水動(dòng)力載荷較靜壓載荷大小相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，故有限元加載時(shí)忽略水動(dòng)力載荷的影響；因靜壓載荷由吃水深度決定，為簡(jiǎn)化加載，將輪緣側(cè)推裝置分為上、中、下三個(gè)加載區(qū)域分別加載；同時(shí)，考慮到輪緣側(cè)推裝置在實(shí)際使用過(guò)程中采用導(dǎo)軌吊裝的方式進(jìn)行上下升降，本文分析中對(duì)其上部節(jié)點(diǎn)6DOF分別進(jìn)行約束，如圖7所示。

圖7 約束施加

4.2 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果分析

輪緣側(cè)推裝置在靜水載荷下的整體變形與應(yīng)力分布，如圖8所示。由圖8可知：輪緣側(cè)推裝置的最大變形出現(xiàn)在封板遠(yuǎn)離支架處，為0.068 mm，且變形分布與靜水下的載荷分布趨于一致；輪緣側(cè)推裝置最大應(yīng)力出現(xiàn)在輪緣側(cè)推裝置導(dǎo)管與支架接觸處，為4.56 MPa，且應(yīng)力主要集中于支撐部件的拐角處；目前規(guī)范對(duì)于附體裝置要求，主要是應(yīng)力強(qiáng)度衡準(zhǔn)，即裝置許用應(yīng)力不超過(guò)材料屈服應(yīng)力0.5倍。本側(cè)推裝置承受的載荷，僅為材料屈服應(yīng)力的1.9%。在衡準(zhǔn)要求范圍之內(nèi)。

圖8 輪緣側(cè)推裝置變形與應(yīng)力分布圖

5 結(jié)論

本文針對(duì)某海洋調(diào)查船輪緣側(cè)推裝置強(qiáng)度評(píng)估問(wèn)題，建立船-側(cè)推裝置整體模型；采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)雷諾平均（RANS）方法，并考慮自由面的影響，計(jì)算船舶在前進(jìn)航速下的水動(dòng)力，得到船-側(cè)推裝置受力及載荷分布特性；在此基礎(chǔ)上，將載荷計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入有限元模型，采用單向的流固耦合方法對(duì)側(cè)推裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析，得到側(cè)推裝置應(yīng)力/應(yīng)變分布。

根據(jù)強(qiáng)度評(píng)估得知：側(cè)推裝置的最大變形出現(xiàn)在封板遠(yuǎn)離支架處，變形分布與靜水下的載荷分布趨于一致；輪緣側(cè)推裝置最大應(yīng)力出現(xiàn)在輪緣側(cè)推裝置導(dǎo)管與支架接觸處，裝置承受應(yīng)力滿(mǎn)足CCS規(guī)范關(guān)于附體的許用應(yīng)力要求。