李 銘,張 政,龔君來
(武漢第二船舶設計研究所,湖北 武漢 430064)
為了保證船舶設備的正常運行,在進行基座設計時,不僅要求基座自身的強度與剛度滿足要求,還需要使基座剛度與船體殼板相匹配,對于工作載荷大、結構剛度大、精度要求高的基座部位更應如此。某船采用舵液壓缸裝置,分別對左舷舵和右舷舵提供作用力,該基座受作用力大,基座變形控制嚴。
液壓缸基座由兩縱向立板和兩橫向肘板,呈井字形正交組合而成,基座縱向立板和橫向肘板邊緣處有加強板條,液壓缸基座一端與船體殼板焊接,另外一端為面板,該面板與液壓缸設備采用螺栓連接,作用力通過面板作用于基座上,圖1為該液壓缸基座的基本形式。
假定液壓缸基座端部為剛固,施加工作載荷,計算所得基座橫向位移為0.45 mm,最大應力為78 MPa,位移和應力均非常小,基座自身的剛度和強度滿足要求。本文以該液壓缸基座為對象,在滿足自身強度與剛度的前提下,著重分析其與船體殼板的匹配性。
為了模擬邊界作用,在進行有限元模型建立時,適當建立了船體和周圍的大型基座(見圖2)。
根據(jù)載荷的不同,計算載荷分為以下2種:
1)水面,基座僅承受舵的作用載荷,船體不受水壓;
2)水下,基座除了承受舵的作用載荷,船體還承受水壓作用。
液壓缸裝置的運行工況可分為3種,即右舵單獨作用、左舵單獨作用及左右舵同時作用。
1.4.1 應力計算結果
各工況下船體殼板和基座應力計算結果見表1。
1.4.2 位移計算結果
各工況下基座位移計算結果見表2。
由表2可知,當液壓缸基座與船體殼板一起參與有限元計算時,比按照僅將基座端部固定進行計算,位移增加較大,需要對液壓缸與船體殼板進行匹配性分析,根據(jù)表2的數(shù)據(jù),匹配性分析的目標主要是控制原左舷基座位移,同時對船體殼板進行應力控制。
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根據(jù)計算結果,初步提出3種匹配性改進方案進行分析比較,根據(jù)比較結果選擇改進方案。由于是定性比較,有限元計算時僅建立了位移較大的左舷基座有限元模型。
1)原設計左舷基座
原左舷基座布置在船體殼板內(nèi)表面,其縱向肘板布置在#5~#7肋位間,縱向肘板上開有減輕孔(見圖3)。
2)匹配性改進方案一(補板方案)
補板方案是采用同厚度的鋼板將減輕孔封填(見圖4)。
3)匹配性改進方案二(補板+肘板方案)
在開孔封填(方案一)的基礎上,將肘板向尾部延長,肘板的端部在縱向上跨過#7號肋位(見圖5)。
4)匹配性改進方案三(補板+貼板方案)
在開孔封填(方案一)的基礎上,在基座區(qū)域的船體殼板外進行貼板,目的是降低殼板應力和變形(見圖6)。
對左舷基座的原設計方案和3種改進方案進行計算,相關計算結果列入表3。
從表3中可以看出,方案一可使基座最大位移下降7.9%,使耐壓殼板的最大表面應力下降了9.5%;方案二可使基座最大位移下降12%,使耐壓殼板的最大表面應力下降了7.1%;方案三可使基座最大位移下降30.7%,使耐壓殼板的最大表面應力的降幅近60%。
通過對第2.2節(jié)的定性分析比較,可知方案三具有較好的匹配性。
圖6 補板+貼板方案(方案三)Fig.6 The project of supply the lack and conjoint shell(No.3 project)
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根據(jù)設備總體布置情況,在#5~#6肋位間的殼板外表面有基座(見圖2)。故僅在左舷基座對應的#6~#7肋位間的船體殼板外表面實施方案三(見圖7)。
圖7 確定的匹配性改進方案Fig.7 The assured improved matching project
按第2.3節(jié)的匹配性改進方案,對左右舷基座均進行計算,相關計算結果列于表4和表5。
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將匹配性改進設計后(表4~表5)與原方案(表1~表2)進行對比,列于表6。
通過對表6分析可知,匹配性改進后對降低左舷基座橫向位移作用較為明顯,原最大應力部位加強后的耐壓殼板應力有大幅降低。匹配性改進后的最大應力部位從左舷基座轉至右舷基座,即最大應力轉至非貼板的船體殼板區(qū)域。
通過對比分析,可以得到以下結論:
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1)匹配性改進設計效果明顯。進行匹配性改進后的方案可以有效降低左舷基座的橫向位移,根據(jù)不同工況降幅可達31%和26%;匹配性改進后,左舵處船體殼板最大主應力降幅可達44.6%(左右舵同時作用)和40%(左舵單獨作用)。
2)由于本文的匹配性改進區(qū)域僅實施在左舷基座殼板區(qū)域,故改進設計后,原發(fā)生在左舷基座殼板處的最大主應力轉移到了右舷基座殼板處,且右舷基座的位移大小基本無變化,說明匹配性改進對基座變形和殼板應力控制具有很大影響。
開展基座設計時,基座自身的強度和剛度是首先需要進行計算和校核的。此外,對于受作用載荷大、精度要求高的基座,應結合設備使用要求,充分考慮基座與其根部船體結構的匹配關系,需開展剛度與強度估算,必要時采取相關的匹配性改進措施,確保設備對基座的安裝要求。
[1]GJB4000-2000,艦船通用規(guī)范[S].