張旭 駱偉 張艷 董威 曹俊偉

摘? ? 要：介紹了船舶吊艙式推進器的性能優(yōu)點，吊艙推進器支撐結(jié)構(gòu)設計校核的難點，給出吊艙支撐結(jié)構(gòu)設計和校核的指導思路。結(jié)合一艘4000t級船舶，提出吊艙支撐結(jié)構(gòu)設計的具體實施方法，并采用有限元分析方法，對設計的吊艙支撐結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)進行校核，驗證設計的合理性，為同類吊艙支撐結(jié)構(gòu)的設計、校核及進一步優(yōu)化提供指導。

關鍵詞：船舶吊艙推進;支撐結(jié)構(gòu);有限元方法

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

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

船用吊艙式推進器一般安裝于尾艙底板的兩舷，由于其運轉(zhuǎn)時受力較大且復雜，運行精度要求較高，因此對安裝處的結(jié)構(gòu)有較高的強度、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，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)設計還需綜合考慮結(jié)構(gòu)施工的工藝性等問題。

如何結(jié)合吊艙受力特點，充分利用原有船體結(jié)構(gòu)，設計出滿足強度、剛度、使用要求、輕量、簡潔的吊艙支撐結(jié)構(gòu)，是本文研究的重點內(nèi)容。

2? ? 船用吊艙支撐結(jié)構(gòu)設計

船用吊艙支撐結(jié)構(gòu)設計的目標是：滿足吊艙推進器運轉(zhuǎn)時的強度及剛度要求，滿足施工及維護要求，盡可能減少占用空間、減輕結(jié)構(gòu)重量、節(jié)約總體資源。為達到上述目標，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。具體設計思路為：根據(jù)船用吊艙式推進器的安裝面確定設備安裝位置，再結(jié)合吊艙式推進器所處艙室的實際空間和原船體構(gòu)件分布情況，確定支撐結(jié)構(gòu)加強范圍;在吊艙式推進器上部設置環(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)加強范圍內(nèi)的吊艙式推進器環(huán)形基座外側(cè)適當距離的原船體強構(gòu)件，如龍骨、肋板或艙壁作為主框架，以環(huán)形基座中心為圓點向周圍主框架設置輻射形肘板，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。必要時對支撐結(jié)構(gòu)加強范圍內(nèi)的原船體構(gòu)件采取加厚及加固等措施予以加強;為滿足施工及維護要求，應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級船舶吊艙推進支撐結(jié)構(gòu)的具體設計方法：目標船吊艙功率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設置實肋板、每2000 mm間距設置龍骨;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實肋板作為吊艙支撐結(jié)構(gòu)的主框架，左右舷的實肋板過渡加厚至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置30 mm的輻射支撐肘板及32 mm的面板，在主框架外設置短龍骨繼續(xù)向首尾主橫艙壁延伸;各支撐肘板及相應面板端部均設置圓弧過渡區(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，本文設計的吊艙支撐結(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)一標準化設計及校核方法，因此需采用直接計算方法校核其強度、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)設計實例，采用有限元仿真方法對吊艙支撐結(jié)構(gòu)進行強度及剛度校核。

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)甲板設備支撐結(jié)構(gòu)直接計算的相關要求，為了更真實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系：原點設于尾垂線和基線相交處;x軸為沿船長方向向船首方向為正;y軸為沿水平方向向左舷為正;z軸為垂向由原點向上為正。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的實際受力狀態(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，shell181）：甲板、外板、縱艙壁及橫艙壁、基座及其面板、肋板、縱桁及強橫梁腹板等;

梁元（三節(jié)點，beam 189）：板材上的縱橫骨材、肋板上的面板、縱橫艙壁上扶強材、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節(jié)點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shell單元、6 906個beam單元及2個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)甲板設備支撐結(jié)構(gòu)直接計算的邊界條件相關要求，應在主要支撐結(jié)構(gòu)處設置位移約束。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)點做簡支約束。

3.3? ?載荷

根據(jù)設備資料，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°方向推進共8種計算工況，各工況載荷換算值如表1所示。

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

3.4? 校核衡準

由于吊艙推進器與船體外板間的距離、角度等對推進器周圍流場有巨大影響，影響推進器的推進效率。若吊艙推進器支撐結(jié)構(gòu)在推進器運行過程中發(fā)生過大的相對變形，將導致推進器與船體外板間的距離、角度偏離設計值，從而降低推進效率甚至產(chǎn)生安全隱患。因此，不同于其他以強度校核為主要指標的支撐結(jié)構(gòu)，吊艙推進器支撐結(jié)構(gòu)的主要設計指標還應滿足嚴苛的剛度要求。參考CCS《鋼制海船入級規(guī)范》第2篇第3章第7節(jié)甲板設備支撐結(jié)構(gòu)直接計算的許用應力相關要求，吊艙支撐結(jié)構(gòu)校核衡準取為：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;合成應力的許用值為235 Mpa。

3.5? ?計算結(jié)果

通過仿真計算分析，可得到吊艙推進器各角度運轉(zhuǎn)時支撐結(jié)構(gòu)的合成應力結(jié)果、法蘭盤安裝面節(jié)點的位移及計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：吊艙在各工況推進時，吊艙推進器支撐結(jié)構(gòu)上的最大應力均出現(xiàn)在與吊艙推進器基座腹板相連的外板上;最大相對變形均出現(xiàn)在吊艙推進器基座的面板上;各工況下應力及變形數(shù)值均小于相應限值，即吊艙推進器支撐結(jié)構(gòu)的強度及剛度均滿足相關校核衡準要求。

在滿足強度及剛度要求基礎上，為減輕重量進一步對支撐結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的布置及尺寸選取進行對比分析，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)加強范圍以距吊艙推進器環(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

船用吊艙推進器支撐結(jié)構(gòu)設計是吊艙應用的關鍵技術之一。為設計出能滿足設備強度及剛度要求，同時保證施工及維護空間要求及重量輕，結(jié)構(gòu)簡潔的吊艙支撐結(jié)構(gòu)，應遵循以下設計原則：（1）合理選取支撐結(jié)構(gòu)加強范圍，最大限度節(jié)省空間資源;（2）采取輻射型結(jié)構(gòu)型式，加強構(gòu)件布置應盡量均勻;（3）利用強構(gòu)件形成主框架，增加支撐結(jié)構(gòu)整體強度及剛度;（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)件應合理過渡，避免結(jié)構(gòu)突變造成應力集中;（6）必要時對支撐結(jié)構(gòu)加強范圍內(nèi)的原船體構(gòu)件采取加厚及加固等措施予以加強;（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備施工及維護;（9）充分利用原船體構(gòu)件，節(jié)約總體資源。

由上述仿真計算校核結(jié)果可知，依據(jù)本文設計指導原則設計的吊艙式推進器支撐結(jié)構(gòu)合理有效：輻射式支撐肘板能夠有效地向各個方向傳遞吊艙式推進器不同角度操縱時的受力;輻射肘板與基座間的圓弧過渡連接減小了局部應力集中;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，使得整個吊艙支撐結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)應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)及設備變形，滿足設備運行時嚴苛的剛度要求。

現(xiàn)行規(guī)范尚未有關于吊艙式推進器支撐結(jié)構(gòu)的完整的校核方法及衡準。本文從設備使用要求出發(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器支撐結(jié)構(gòu)的應力和變形分布。本文提供的仿真模型模擬原則、計算工況的簡化和選取、約束的選取、校核衡準的選取等，對同類船舶吊艙推進器支撐結(jié)構(gòu)的校核及進一步優(yōu)化設計具有較好的指導意義。

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