朱永凱

（中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300452）

基于有限元方法的船舶主推進(jìn)器區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

朱永凱

（中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300452）

隨著國(guó)內(nèi)運(yùn)輸船日趨大型化、高速化，大型雙槳雙舵船舶的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文分析雙槳雙舵船舶的特點(diǎn)，提出適合國(guó)內(nèi)建造大型雙槳雙舵船舶主推進(jìn)區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法。在推進(jìn)器不同推進(jìn)角度和推進(jìn)速度情況下，推進(jìn)器所受的力進(jìn)行有限元分析，對(duì)推進(jìn)器區(qū)域船體外板、各層平臺(tái)及肋骨等強(qiáng)力構(gòu)件的受力進(jìn)行研究，并與船級(jí)社規(guī)范對(duì)比研究，保證船體的基本構(gòu)件穩(wěn)定性和剛度上的要求從而為我國(guó)大型雙槳雙舵船舶的建造提供一些可行性的思路。

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析；主推進(jìn)區(qū)域；有限元

0　引　言

隨著航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，過(guò)去主要用于軍用艦船的雙槳雙舵船舶得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用［1］，特別是在大型LNG 運(yùn)輸船中開(kāi)始大量應(yīng)用。大型船舶配備雙槳雙舵，可以使其具有更加靈活自主的操縱性能，并可實(shí)現(xiàn)安全、高效和節(jié)能等目的。在對(duì)船舶經(jīng)濟(jì)性和安全性要求不斷提高的現(xiàn)代社會(huì)，雙槳雙舵船舶的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)不斷擴(kuò)大。因此，對(duì)雙槳雙舵船舶建造技術(shù)的研究，將具有重要的理論和工程意義。

隨著結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料使用的日趨經(jīng)濟(jì)合理［2］，船體結(jié)構(gòu)在極端條件下的強(qiáng)度問(wèn)題就日益突出起來(lái)，這已經(jīng)成為國(guó)際船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)領(lǐng)域近期的一個(gè)熱點(diǎn)研究課題。目前，極限強(qiáng)度計(jì)算方法大致有簡(jiǎn)化計(jì)算方法、直接計(jì)算方法、有限元方法的幾種。簡(jiǎn)化計(jì)算方法雖然計(jì)算速度快，使用方便，但由于過(guò)多簡(jiǎn)化而顯得精度不夠。有限元方法［3-4］是解決復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)問(wèn)題的強(qiáng)有力工具，在結(jié)構(gòu)非線性分析中，大型有限元程序如 PATRAN，NASTRAN，DYTRAN，MARC，Ansys和ADINA 等發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，利用它們同時(shí)考慮幾何和材料的非線性，可得到船體結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度值。

1　有限元計(jì)算模型

以國(guó)內(nèi)首制 3 萬(wàn)方 LNG 運(yùn)輸船主推進(jìn)區(qū)域船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算［5］，船舶主尺度見(jiàn)表1。由于本船采用雙軸系，左右對(duì)稱布置。因此，計(jì)算模型的范圍為沿船縱向從船尾到 10 號(hào)肋位，沿船寬方向從左舷舷側(cè)到中縱剖面，沿垂向自船底向上至 12 500 平臺(tái)。

表1　3 萬(wàn)方 LNG 運(yùn)輸船主尺度Tab. 1　PRINCIPAL PARTICULARS

1.1計(jì)算模型

有限元計(jì)算應(yīng)用 MSC 公司有限元計(jì)算軟件MSC.PATRAN&NASTRAN 完成。

有限元模型包括了主推進(jìn)器區(qū)域結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件，如外板、平臺(tái)板、艙壁、桁材等［6-7］。計(jì)算模型的外板、平臺(tái)板、艙壁板及桁材腹板等主要構(gòu)件均模擬為4節(jié)點(diǎn)或3節(jié)點(diǎn)板單元，外板橫骨、平臺(tái)縱骨、艙壁扶強(qiáng)材、桁材面板以及支柱等次要構(gòu)件均模擬為2節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧?/p>

有限元模型建立在 XYZ 右手笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)，坐標(biāo)原點(diǎn)位于 FR0 橫剖面和B.L. 的交點(diǎn)處，坐標(biāo)軸的方向如下：X 軸指向船首；Y 軸沿船寬方向指向左舷；Z軸由船底垂直指向甲板。

有限元網(wǎng)格按照肋距和骨材間距進(jìn)行尺度劃分。有限元模型如圖1所示。

圖1　有限元模型概貌Fig. 1　The finite element model

1.2構(gòu)件尺寸和材料特性

三維有限元模型中的構(gòu)件尺寸源于船體分段結(jié)構(gòu)圖，模型中構(gòu)件采用建造厚度。

船體鋼材的物理參數(shù)為下：楊氏模量 E=2.06 × 105N/mm2，泊松比 μ=0.3，密度 ρ=7.85 × 10-9t/mm3。

1.3邊界條件

有限元模型的邊界條件［8］取法如下所述：

對(duì)于 FR10 橫剖面上所有節(jié)點(diǎn)，約束 X，Y，Z 三方向線位移；

對(duì)于 12 500 平臺(tái)上所有節(jié)點(diǎn)，約束 X，Y，Z 三方向線位移；

對(duì)于船中縱剖面的橫艙壁截面上的節(jié)點(diǎn)，約束Y，Z 方向線位移和X 方向角位移；

對(duì)于船中縱剖面的平臺(tái)截面上的節(jié)點(diǎn)，約束 X，Y方向線位移和Z方向角位移；對(duì)于船中縱剖面的外板截面上的節(jié)點(diǎn)，約束 X，Y 方向線位移和Z方向角位移。

有限元模型的邊界條件如圖2所示。

圖2　有限元模型邊界條件Fig. 2　FEM Boundary condition

2　計(jì)算載荷及計(jì)算工況

計(jì)算工況根據(jù)舵螺推進(jìn)器的轉(zhuǎn)角來(lái)選取。

工況 1：舵槳推進(jìn)器向左舷旋轉(zhuǎn) 35°；

工況 2：舵槳推進(jìn)器向左舷旋轉(zhuǎn) 15°；

工況 3：舵槳推進(jìn)器轉(zhuǎn)角為0°；

工況 4：舵槳推進(jìn)器向右舷旋轉(zhuǎn) 15°；

工況 5：舵槳推進(jìn)器向右舷旋轉(zhuǎn) 35°；

對(duì)于每一個(gè)工況，計(jì)算載荷由以下幾部分組成：

1）舵槳推進(jìn)裝置的重量約為111 t；

2）船體運(yùn)動(dòng)的垂向加速度約為5.977 m/s2，根據(jù)ABS《Rules For Building and classing steel vessels 2012》的計(jì)算方法得出（見(jiàn)表2）。

表2　垂向加速度計(jì)算結(jié)果Tab. 2　Vertical acceleration calculation

表中：V 為最大服務(wù)航速，kn；V1為航速，kn；Tsc為結(jié)構(gòu)吃水，m；TLC為吃水，m；Cb為方形系數(shù)；x 為船長(zhǎng)方向坐標(biāo)，m；y 為船寬方向坐標(biāo)，m；Uroll為橫搖周期，s；θ為橫搖角，rads；Upitch為縱搖周期，s；φ 為縱搖角，rads；av為垂向加速度，m/s2。

3）推進(jìn)器所受的水動(dòng)力由設(shè)備廠商提供，由于其未考慮波浪與船體運(yùn)動(dòng)的影響，本計(jì)算對(duì)其取安全系數(shù) 1.5（見(jiàn)表3和圖3）。

表3　推進(jìn)器所受水動(dòng)力Tab. 3　Hydrodynamic force

圖3　計(jì)算載荷示意圖Fig. 3　Hydrodynamic force

載荷以集中力的方式施加到模型上，并通過(guò) MPC傳遞到單元網(wǎng)格上，如圖4所示。

圖4　載荷施加示意圖Fig. 4　Loads in F.E. model in loadcase

3　強(qiáng)度準(zhǔn)則

參照ABS《Rules for building and classing steel vessels 2012》中有關(guān)吊艙推進(jìn)設(shè)備支承結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件許用應(yīng)力的相關(guān)規(guī)定，船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算的衡準(zhǔn)如下：

許用正應(yīng)力：［σ］=0.59σFN/mm2；

許用剪應(yīng)力：［τ］=0.44σFN/mm2；

許用相當(dāng)應(yīng)力：［σe］=0.85σFN/mm2；

應(yīng)力集中處許用相當(dāng)應(yīng)力：［σepeak］=σFN/mm2

材質(zhì)為普通強(qiáng)度鋼，σF取 235 N/mm2，許用應(yīng)力如表4所示。

表4　許用應(yīng)力Tab. 4　Permissible Stress Values

4　計(jì)算結(jié)果

各計(jì)算工況下船體結(jié)構(gòu)中主要結(jié)構(gòu)的單元平均應(yīng)力最大值如表5所示。

表5　主要構(gòu)件最大應(yīng)力Tab. 5　Maximum average element stresses in main structural members

表中：σx和σy為板單元在 X，Y 方向上正應(yīng)力，“+”為拉應(yīng)力，“-”為壓應(yīng)力；τxy為板單元剪應(yīng)力；σe為板單元 Von Mises 應(yīng)力，σe=（σx2+ σy2-σxσy+ 3τxy2）1/2。

工況 3 條件下船體結(jié)構(gòu)變形如圖5所示。本節(jié)所示的應(yīng)力分布圖表示的是模型在計(jì)算工況中的相當(dāng)應(yīng)力分布，圖中所示應(yīng)力的單位為N/mm2。

各計(jì)算工況下船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力如圖5～圖10所示。本節(jié)所示的應(yīng)力分布圖表示的是模型在計(jì)算工況中的相當(dāng)應(yīng)力分布，圖中所示應(yīng)力的單位為N/mm2。

圖5　結(jié)構(gòu)變形圖（工況 3）Fig. 5　Displacements of structures at Load case 3

圖6　外板相當(dāng)應(yīng)力分布圖（工況 1）Fig. 6　Von Mises stress of shell plate

圖7　距基線 9 000 mm 平臺(tái)板相當(dāng)應(yīng)力分布圖（工況 5）Fig. 7　Von Mises stress of Platform

圖8　連接肘板相當(dāng)應(yīng)力分布圖（工況 2）Fig. 8　Von Mises stress of radial girders

圖9　船底縱桁與肋板相當(dāng)應(yīng)力分布圖（工況 1）Fig. 9　Von Mises stress girders and floors

圖10　其他構(gòu)件相當(dāng)應(yīng)力分布圖（工況 5）Fig. 10　Von Mises stress of others

5　結(jié)　語(yǔ)

通過(guò)對(duì) 3 萬(wàn)方 LNG 運(yùn)輸船推進(jìn)其區(qū)域進(jìn)行有限元分析，可以得到主要構(gòu)件的應(yīng)力分布圖，并得到以下結(jié)論：

1）主要支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力值均不超過(guò)許用應(yīng)力范圍，滿足強(qiáng)度要求。

2）高應(yīng)力集中位于 10 號(hào)肋位橫艙壁處，設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)該區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)。

3）本文利用有限元軟件進(jìn)行推進(jìn)器區(qū)域強(qiáng)度分析，提出一種對(duì)船體局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算的有效方法。

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Main propulsion regional structure strength analysis base on finite element method

ZHU Yong-kai
（CNOOC Energy Technology and Services-Oil Production Services Co.， Tianjin 300452， China）

With the increasingly wide application of the large domestic carrier， high speed， large ship twin rudder paddle is application more and more widely， we analyze the characteristics of twin rudder paddle ship. Based on it， this paper proposes the structure strength analysis method of main propulsion area for building the large twin rudder paddle. Under the different angle and velocity of propeller propulsion， we analyze the propeller force with finite element method， including the stress of the propeller area outside the hull plate， the layers of the stress of the platform and frame strength member. We also compare result with classification society rule， in order to ensure the stability and the stiffness on the hull of the basic building blocks， and provide some feasible ideas for constructing large twin rudder paddle ships of our country.

structure strength analysis；propulsion regional；finite element method

U661.31+3

A

1672-7619（2016）09-0074-04

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.09.014

2016-12-04；

2016-05-25

朱永凱（1982-），男，工程師，主要從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)、建造及管理。