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        基座變形與船體殼板的匹配性分析

        2011-08-20 08:40:56龔君來(lái)
        艦船科學(xué)技術(shù) 2011年8期
        關(guān)鍵詞:左舷肘板基座

        李 銘,張 政,龔君來(lái)

        (武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所,湖北 武漢 430064)

        0 引言

        為了保證船舶設(shè)備的正常運(yùn)行,在進(jìn)行基座設(shè)計(jì)時(shí),不僅要求基座自身的強(qiáng)度與剛度滿(mǎn)足要求,還需要使基座剛度與船體殼板相匹配,對(duì)于工作載荷大、結(jié)構(gòu)剛度大、精度要求高的基座部位更應(yīng)如此。某船采用舵液壓缸裝置,分別對(duì)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(yán)。

        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(qiáng)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(shè)備采用螺栓連接,作用力通過(guò)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(jì)算所得基座橫向位移為0.45 mm,最大應(yīng)力為78 MPa,位移和應(yīng)力均非常小,基座自身的剛度和強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。本文以該液壓缸基座為對(duì)象,在滿(mǎn)足自身強(qiáng)度與剛度的前提下,著重分析其與船體殼板的匹配性。

        1 原基座設(shè)計(jì)方案

        1.1 計(jì)算模型

        為了模擬邊界作用,在進(jìn)行有限元模型建立時(shí),適當(dāng)建立了船體和周?chē)拇笮突?見(jiàn)圖2)。

        1.2 計(jì)算載荷

        根據(jù)載荷的不同,計(jì)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。

        1.3 計(jì)算工況

        液壓缸裝置的運(yùn)行工況可分為3種,即右舵單獨(dú)作用、左舵單獨(dú)作用及左右舵同時(shí)作用。

        1.4 計(jì)算結(jié)果

        1.4.1 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

        各工況下船體殼板和基座應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

        1.4.2 位移計(jì)算結(jié)果

        各工況下基座位移計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

        由表2可知,當(dāng)液壓缸基座與船體殼板一起參與有限元計(jì)算時(shí),比按照僅將基座端部固定進(jìn)行計(jì)算,位移增加較大,需要對(duì)液壓缸與船體殼板進(jìn)行匹配性分析,根據(jù)表2的數(shù)據(jù),匹配性分析的目標(biāo)主要是控制原左舷基座位移,同時(shí)對(duì)船體殼板進(jìn)行應(yīng)力控制。

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        2 匹配性改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

        2.1 匹配性改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

        根據(jù)計(jì)算結(jié)果,初步提出3種匹配性改進(jìn)方案進(jìn)行分析比較,根據(jù)比較結(jié)果選擇改進(jìn)方案。由于是定性比較,有限元計(jì)算時(shí)僅建立了位移較大的左舷基座有限元模型。

        1)原設(shè)計(jì)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(kāi)有減輕孔(見(jiàn)圖3)。

        2)匹配性改進(jìn)方案一(補(bǔ)板方案)

        補(bǔ)板方案是采用同厚度的鋼板將減輕孔封填(見(jiàn)圖4)。

        3)匹配性改進(jìn)方案二(補(bǔ)板+肘板方案)

        在開(kāi)孔封填(方案一)的基礎(chǔ)上,將肘板向尾部延長(zhǎng),肘板的端部在縱向上跨過(guò)#7號(hào)肋位(見(jiàn)圖5)。

        4)匹配性改進(jìn)方案三(補(bǔ)板+貼板方案)

        在開(kāi)孔封填(方案一)的基礎(chǔ)上,在基座區(qū)域的船體殼板外進(jìn)行貼板,目的是降低殼板應(yīng)力和變形(見(jiàn)圖6)。

        2.2 匹配性改進(jìn)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

        對(duì)左舷基座的原設(shè)計(jì)方案和3種改進(jìn)方案進(jìn)行計(jì)算,相關(guān)計(jì)算結(jié)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力的降幅近60%。

        2.3 匹配性改進(jìn)方案的確定

        通過(guò)對(duì)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(bǔ)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(shè)備總體布置情況,在#5~#6肋位間的殼板外表面有基座(見(jiàn)圖2)。故僅在左舷基座對(duì)應(yīng)的#6~#7肋位間的船體殼板外表面實(shí)施方案三(見(jiàn)圖7)。

        圖7 確定的匹配性改進(jìn)方案Fig.7 The assured improved matching project

        3 改進(jìn)方案計(jì)算與比較

        3.1 改進(jìn)方案的計(jì)算結(jié)果

        按第2.3節(jié)的匹配性改進(jìn)方案,對(duì)左右舷基座均進(jìn)行計(jì)算,相關(guān)計(jì)算結(jié)果列于表4和表5。

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        3.2 匹配性改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比

        將匹配性改進(jìn)設(shè)計(jì)后(表4~表5)與原方案(表1~表2)進(jìn)行對(duì)比,列于表6。

        通過(guò)對(duì)表6分析可知,匹配性改進(jìn)后對(duì)降低左舷基座橫向位移作用較為明顯,原最大應(yīng)力部位加強(qiáng)后的耐壓殼板應(yīng)力有大幅降低。匹配性改進(jìn)后的最大應(yīng)力部位從左舷基座轉(zhuǎn)至右舷基座,即最大應(yīng)力轉(zhuǎn)至非貼板的船體殼板區(qū)域。

        4 結(jié)語(yǔ)

        通過(guò)對(duì)比分析,可以得到以下結(jié)論:

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        1)匹配性改進(jìn)設(shè)計(jì)效果明顯。進(jìn)行匹配性改進(jìn)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(dá)31%和26%;匹配性改進(jìn)后,左舵處船體殼板最大主應(yīng)力降幅可達(dá)44.6%(左右舵同時(shí)作用)和40%(左舵單獨(dú)作用)。

        2)由于本文的匹配性改進(jìn)區(qū)域僅實(shí)施在左舷基座殼板區(qū)域,故改進(jìn)設(shè)計(jì)后,原發(fā)生在左舷基座殼板處的最大主應(yīng)力轉(zhuǎn)移到了右舷基座殼板處,且右舷基座的位移大小基本無(wú)變化,說(shuō)明匹配性改進(jìn)對(duì)基座變形和殼板應(yīng)力控制具有很大影響。

        開(kāi)展基座設(shè)計(jì)時(shí),基座自身的強(qiáng)度和剛度是首先需要進(jìn)行計(jì)算和校核的。此外,對(duì)于受作用載荷大、精度要求高的基座,應(yīng)結(jié)合設(shè)備使用要求,充分考慮基座與其根部船體結(jié)構(gòu)的匹配關(guān)系,需開(kāi)展剛度與強(qiáng)度估算,必要時(shí)采取相關(guān)的匹配性改進(jìn)措施,確保設(shè)備對(duì)基座的安裝要求。

        [1]GJB4000-2000,艦船通用規(guī)范[S].

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