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        L 型全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器船體支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

        2021-12-10 17:03:34李文華王燕舞
        艦船科學(xué)技術(shù) 2021年10期
        關(guān)鍵詞:科考船推進(jìn)器船級社

        宋 揚(yáng),李文華,張 偉,王燕舞

        (中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院,上海 200011)

        0 引 言

        作為一種新型的船舶推進(jìn)系統(tǒng),全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器具有適裝性好、操縱性優(yōu)良、布置簡便、可靠性高、維護(hù)方便等突出優(yōu)點(diǎn)。目前市場上存在多種類型的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器,包括Z型全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器、L型全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器以及吊艙式推進(jìn)器等。發(fā)展到現(xiàn)在,全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器已在諸如豪華郵輪、海洋工程船、民用運(yùn)輸船、科考/公務(wù)船、破冰船等多種船型上得到應(yīng)用。

        對于不同類型的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器,其船體支撐結(jié)構(gòu)的受力形式、構(gòu)件設(shè)計(jì)和計(jì)算驗(yàn)證亦隨之有所區(qū)別。為此,以中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院(MARIC)研發(fā)的某新型6 000 噸級科考船為例,總結(jié)其船體支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路和特點(diǎn),并求解L型全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器梁系簡化模型的承力解析解,再運(yùn)用有限元方法進(jìn)行驗(yàn)證分析。6 000 噸級科考船實(shí)船安裝L型全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器如圖1所示。

        圖1 6 000 噸級科考船L型全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器Fig. 1 L-shaped azimuth thruster of the 6 000 tons scientific research vessel

        1 船級社相關(guān)規(guī)范

        1.1 構(gòu)件布置要求

        隨著全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器在越來越多船型上得到運(yùn)用,各家船級社也陸續(xù)推出了針對全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器支撐結(jié)構(gòu)的具體要求。全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的船體支撐結(jié)構(gòu)系指承托吊臂的底座圈梁及其面板和與其相連及周圍的支撐桁材、肋板所組成的正交格柵板架[8],典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        圖2 全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器典型支撐結(jié)構(gòu)Fig. 2 Typical support structure of azimuth thruster

        1.2 許用應(yīng)力衡準(zhǔn)

        對于全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的支撐結(jié)構(gòu)各家船級社都要求進(jìn)行直接計(jì)算強(qiáng)度評估,關(guān)于直接計(jì)算的許用應(yīng)力衡準(zhǔn),中國船級社(CCS)《鋼制海船入級規(guī)范》、英國勞氏船級社(LR)《Rules and Regulations for the Classification of Naval Ships》以及國際船級社協(xié)會(IACS)《Common Structural Rules for Bulk Carriers(CSR)》中有關(guān)規(guī)定,如表1所示。

        表1 許用應(yīng)力衡準(zhǔn)Tab. 1 Criteria of allowable stress

        由表1可以看出:

        1)只有CCS明確給出了正常工況和極限工況的應(yīng)力衡準(zhǔn),LR規(guī)范對于極限工況的應(yīng)力衡準(zhǔn)模糊解釋為可適當(dāng)放寬,需要針對具體船型進(jìn)行討論;

        2)CCS與LR關(guān)于正常工況的許用應(yīng)力衡準(zhǔn)要求相近,但CCS沒有給出細(xì)網(wǎng)格合成應(yīng)力的衡準(zhǔn);

        3)CSR規(guī)范對散貨船上全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器支撐結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力衡準(zhǔn)提出了嚴(yán)苛的要求,在此類型船的設(shè)計(jì)中需要特別關(guān)注。

        基于所選取的研究對象,選定CCS的相關(guān)規(guī)定作為后續(xù)直接計(jì)算的許用應(yīng)力衡準(zhǔn)。

        2 L型全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        目標(biāo)船采用羅爾斯·羅伊斯公司的新式L型全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器,推進(jìn)器分為上下兩部分,便于設(shè)備的交付與維修,其在上部船體內(nèi)集成了一個高效的永磁電機(jī),盡量減少所占用的船體空間。

        對于該推進(jìn)器,在設(shè)計(jì)時采用單底支撐的結(jié)構(gòu)形式,利用輻射型的短桁材將基座與底部縱桁、肋板相連,同時將短桁材面板在基座連接處做成圓弧形趾端,增加基座連接強(qiáng)度的同時減小應(yīng)力集中系數(shù),其支撐結(jié)構(gòu)平面如圖3所示。為了盡量提高基座區(qū)域的剛度,滿足設(shè)備商關(guān)于船體支撐結(jié)構(gòu)剛度的要求,應(yīng)充分利用推進(jìn)器周邊平臺甲板、縱艙壁、橫艙壁等剛性更強(qiáng)的構(gòu)件作為支撐結(jié)構(gòu)的端部,最終形成一個完整的船體支撐結(jié)構(gòu)承力框架。

        圖3 6 000 噸級科考船單底支撐結(jié)構(gòu)平面Fig. 3 Support structure plan of 6 000 tons vessel

        與其他類型全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器相比,該推進(jìn)器整體式的嵌入船體內(nèi),典型剖面如圖4所示。盡管此種布置會占用部分船體內(nèi)部空間,卻可以大幅提升支撐結(jié)構(gòu)腹板圈梁高度,同時船體結(jié)構(gòu)在基座面板連接處和船體外板處對推進(jìn)器形成有效支撐,最終使得這種L型全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器支撐結(jié)構(gòu)可以承受更大功率推進(jìn)器載荷,適用于功率較大、尾部空間較富裕的中型科考船上使用。

        圖4 6 000 噸級科考船支撐結(jié)構(gòu)典型剖面Fig. 4 Typical support structure section of 6 000 tons vessel

        3 基于梁系簡化模型載荷計(jì)算

        根據(jù)設(shè)備商資料,6 000 噸級科考船L型全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器受力示意如圖5所示,有重力G,水動力平面載荷(包含舵力和螺旋槳推力)Fres,水動力垂向載荷Fz以及轉(zhuǎn)舵扭矩Ms。

        圖5 6 000 噸級科考船推進(jìn)器受力示意圖Fig. 5 The force of 6 000 tons vessel’s azimuth thruster

        由于設(shè)備商直接給出了螺旋槳轉(zhuǎn)動中心處的平面載荷以及垂向載荷,可將其簡化為梁系模型進(jìn)行分析,其中基座平面處(A點(diǎn))邊界條件取為剛性固定,船體外板處(B點(diǎn))邊界條件取為自由支持,螺旋槳轉(zhuǎn)動中心處(C點(diǎn))取為自由端,受力簡圖如圖6所示。為求解此超靜定結(jié)構(gòu),暫不考慮垂直方向的受力,根據(jù)力法原理,將其分解為2根單跨梁,如圖7所示。

        圖6 推進(jìn)器受力簡圖Fig. 6 The force sketch of azimuth thruster

        利用A點(diǎn)處轉(zhuǎn)角為0的邊界條件便可求解此梁系結(jié)構(gòu),其力學(xué)方程如下:

        圖7 力法分解受力簡圖Fig. 7 The sketch of structural force method

        再考慮推進(jìn)器垂直方向的平衡方程

        聯(lián)立求解式(1)和式(2),便可最終得出A,B點(diǎn)處的承力解析解:

        4 有限元分析驗(yàn)證

        為驗(yàn)證L型全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器梁系簡化模型解析解的正確性及合理性,僅以推進(jìn)器正常工況為研究對象,運(yùn)用MSC的Patran/Nastran通用軟件進(jìn)行有限元分析驗(yàn)證。

        4.1 有限元模型

        選取全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器支撐結(jié)構(gòu)作為研究對象,模型縱向范圍為尾封板~FR8水密橫艙壁,橫向范圍為整個船寬,垂向范圍為整個型深。

        模型主要采用2D-Shell單元,1D-Beam單元。網(wǎng)格單元大小為200×200 mm左右,高應(yīng)力區(qū)域的網(wǎng)格適當(dāng)細(xì)化。甲板板、艙壁板、主要支撐構(gòu)件(縱桁和強(qiáng)橫梁)的腹板、基座板用Shell單元模擬,主要支撐構(gòu)件面板用Beam單元模擬。

        模型的邊界條件為在FR8水密橫艙壁處進(jìn)行簡支,約束X、Y、Z方向的位移,有限元模型如圖8所示。

        4.2 載荷工況

        推進(jìn)器載荷(重力G,水動力平面載荷Fres,水動力垂向載荷Fz以及轉(zhuǎn)舵扭矩Ms)由羅爾斯·羅伊斯公司提供,根據(jù)設(shè)備商資料,該船全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器有2種運(yùn)行模式,即巡航模式和機(jī)動模式。

        圖8 有限元模型Fig. 8 Finite element model

        巡航模式最大允許角度范圍為+/-35°,為推進(jìn)器在最大功率和轉(zhuǎn)速下運(yùn)行;機(jī)動模式可以360°旋轉(zhuǎn)但功率受到限制,僅承受螺旋槳推力且只能在10 kn航速以下使用。最終選定0°,+/-15°,+/-35°,+/-60°,+/-90°,+/-120°,+/-150°以及180°共計(jì)14種典型方位角進(jìn)行有限元校核,在進(jìn)行有限元分析時重力考慮1.8倍船體加速度,其余載荷考慮1.25倍的安全系數(shù)。

        選擇2種載荷施加方式來進(jìn)行推進(jìn)器支撐結(jié)構(gòu)有限元分析:

        1)由于推進(jìn)器自身剛度足夠強(qiáng),可將該推進(jìn)器模擬單元作近似剛性體處理從而建立推進(jìn)器的3D簡化模型,采用MPC形式,將設(shè)備商提供的推進(jìn)器載荷直接加載到螺旋槳轉(zhuǎn)動中心處,其加載模型如圖9所示,校核工況如表2所示,此種加載方式后續(xù)簡稱簡化模擬加載;

        2)去除有限元模型中推進(jìn)器的模擬單元,運(yùn)用計(jì)算式(3)得到基座平面處(A點(diǎn))和船體外板處(B點(diǎn))船體結(jié)構(gòu)的受力解析解,采用MPC形式,將A點(diǎn)和B點(diǎn)載荷分別加載到船體結(jié)構(gòu)處,其加載模型如圖10所示,校核工況如表3所示,此種加載方式后續(xù)簡稱解析解加載。

        圖9 簡化模擬加載模型Fig. 9 Simplified simulation model

        表2 簡化模擬加載校核工況Tab. 2 Loading condition of simplified simulation

        圖10 解析解加載模型Fig. 10 Theoretical solution model

        表3 解析解加載校核工況Tab. 3 Loading condition of theoretical solution

        表4 兩種加載方式計(jì)算結(jié)果Tab. 4 The result of simplified simulation model and theoretical solution model

        4.3 計(jì)算結(jié)果

        通過有限元分析,可得到正常工況下全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器各角度運(yùn)轉(zhuǎn)時支撐結(jié)構(gòu)的正應(yīng)力、剪應(yīng)力以及合成應(yīng)力,應(yīng)力衡準(zhǔn)參照CCS規(guī)定。此外,從實(shí)船安裝、使用角度出發(fā),座圈結(jié)構(gòu)相對變形即船體支撐結(jié)構(gòu)的剛度問題更值得關(guān)注,設(shè)備商往往對此相對變形量提出較為嚴(yán)苛的要求。所謂相對變形量即全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器基座法蘭盤安裝面與相鄰區(qū)域船體外板間的變形位移差,與設(shè)備商確認(rèn)后將相對變形量的衡準(zhǔn)取為1 mm。

        讀取有限元結(jié)果可得到2種加載方式的應(yīng)力、變形結(jié)果,如表4所示。

        由表4可知:

        1)該全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足CCS規(guī)范要求,相對位移量也滿足設(shè)備商對船體剛度的要求,其中結(jié)構(gòu)強(qiáng)度裕度較大,這是因?yàn)橹谓Y(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸主要由船體剛度決定;

        2)2種加載方式應(yīng)力分布及變形趨勢一致,最大合成應(yīng)力出現(xiàn)在+35°工況,最大相對變形量出現(xiàn)在-35°工況,但解析解加載方式的計(jì)算結(jié)果偏安全,這主要源于所采用力學(xué)模型在邊界條件、載荷作用形式等方面作出的偏安全簡化。

        5 結(jié) 語

        本文通過對某6 000 噸級科考船L型全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器船體支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析,得出以下結(jié)論:

        1)單底支撐結(jié)構(gòu)形式在中型科考船上的設(shè)計(jì)是可行的,能夠同時滿足船級社關(guān)于船體強(qiáng)度和設(shè)備商關(guān)于船體剛度的要求,無須采用剛度更強(qiáng)但形式復(fù)雜的雙層底結(jié)構(gòu),其設(shè)計(jì)思路和特點(diǎn)可供后續(xù)類似船型參考;

        2)驗(yàn)證了L型全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器梁系簡化模型解析解的正確性與合理性,可用于初始設(shè)計(jì)階段載荷快速估算,為支撐結(jié)構(gòu)前期設(shè)計(jì)提供參考,避免后續(xù)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的方案修改,亦可直接用于推進(jìn)器支撐結(jié)構(gòu)的有限元分析。

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