陳 忱，湯霄揚(yáng)，張海瑛，高曉磊，鄭少雄，林昭友

(1.中國(guó)船舶及海洋工程研究院，上海 200011；2.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510075)

0 引 言

海洋地質(zhì)調(diào)查船在開展海洋地質(zhì)調(diào)查等作業(yè)任務(wù)時(shí)需要船體保持穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。相比較于傳統(tǒng)側(cè)推，伸縮型側(cè)推（RDT）裝置，可以提高船舶首部操縱性，滿足船舶動(dòng)力定位功能，且在尾部螺旋槳有故障時(shí)，可作為推進(jìn)器維持船舶較低的航速前進(jìn)。近年來(lái)，在海洋地質(zhì)作業(yè)類的船舶上應(yīng)用較多。

目前國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究集中在側(cè)推裝置的振動(dòng)評(píng)估[1]、安裝工藝[2]、減振降噪[3-4]和側(cè)推載荷估算等方面，在RDT 裝置底部封板設(shè)計(jì)載荷和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方面的研究較少。胡燕萍[5]用經(jīng)驗(yàn)公式方法估算了海洋科學(xué)考察船側(cè)推筒體封蓋載荷；魏躍峰[6]通過(guò)CFD 數(shù)值仿真方法分析了球鼻艏船型船首側(cè)推孔推力減縮的產(chǎn)生原因及其影響因素；李齊垚[7]通過(guò)CFD 數(shù)值仿真和模型試驗(yàn)開展了單側(cè)推裝置在不同流速、流向下的推力減額的研究；韋紅剛[8]通過(guò)CFD 數(shù)值仿真方法計(jì)算了不同尺度下的側(cè)推孔、軸包套、軸支架的阻力增量。

RDT 裝置底部封板同時(shí)承受波浪載荷和靜水載荷的作用，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度將直接影響該類船型的聲學(xué)設(shè)備作業(yè)可靠性和安全性。因此，有必要研究RDT 裝置底部封板的載荷成分和載荷特征，提出RDT 裝置設(shè)計(jì)載荷確定方法，并在此基礎(chǔ)上開展底部封板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估，保證結(jié)構(gòu)安全。

1 船型及裝置概況

1.1 船型概況

本文的研究對(duì)象RDT 裝置安裝于某海洋地質(zhì)調(diào)查船，該船長(zhǎng)85 m，寬22 m，型深8.0 m，吃水6.3 m，船體線型設(shè)計(jì)為首部采用直行。

1.2 RDT 裝置概況

船首110#肋位處安裝有動(dòng)力定位用的RDT 裝置，RDT 裝置底封板作業(yè)承受水流為5 kn，最大作業(yè)工況5 級(jí)海況。RDT 裝置采用輪緣推進(jìn)形式，輪緣內(nèi)部具備槳轂，輪緣導(dǎo)流罩底部有圓形封板即底封板，導(dǎo)流罩和底封板之間有翼板材設(shè)置的加強(qiáng)筋。RDT 裝置結(jié)構(gòu)及裝置與船體安裝配合情況如圖1 所示。

2 載荷計(jì)算分析

RDT 裝置底封板承受的載荷主要為波浪載荷、靜水載荷和輪緣導(dǎo)流罩的傳遞載荷，波浪載荷包括水流沖擊載荷和船舶在波浪中搖蕩受到的動(dòng)態(tài)載荷，與RDT 裝置在船舶布置情況、航速、流場(chǎng)和工作海況相關(guān)，靜水載荷與裝置的吃水深度有關(guān)，輪緣導(dǎo)流罩的傳遞載荷與結(jié)構(gòu)連接方案相關(guān)。

2.1 基本理論

RDT 裝置屬于航行船舶附體，對(duì)于RDT 裝置受載分析，需要在整個(gè)船體范圍整體考核。對(duì)排水型船舶自由面擾流問(wèn)題的計(jì)算分析是將自由面流動(dòng)作為兩相流來(lái)分析，自由面為水和空氣的交界面，使用VOF 方法計(jì)算。該數(shù)學(xué)模型的控制方程包括：連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、體積分?jǐn)?shù)方程，以及湍流模型方程。

連續(xù)性方程和動(dòng)量方程分別為：

式中，t為時(shí)間；ρ為密度；V為控制體；S為控制體的面積；Ud為控制體面積法向向量的速度；U和p分別為速度和壓力；Ui為xi方向上的平均速度分量；τij為黏性應(yīng)力張量，gi為重力矢量；Ii和Ij為方向向量。

本文采用SSTk-ω湍流模型，湍動(dòng)能k和湍流耗散率 ω的方程如下：

式中：μ為分子黏度；xj為坐標(biāo)軸；Uj為在xj方向上的平均速度分量；μt為湍流渦黏度；tij為湍流雷諾應(yīng)力張量；Sij為平均應(yīng)變率張量；F1為輔助混合函數(shù)；Pω為ω的導(dǎo)出項(xiàng)；β*，σk和σω2為模型常數(shù)。

2.2 水動(dòng)力模型建立

2.2.1 計(jì)算區(qū)域設(shè)置

采用CFD 進(jìn)行水流沖擊載荷分析，船舶和RDT 裝置配合三維模型如圖2 所示。由于船舶計(jì)算水流速度較低，且船舶和RDT 裝置尺度差異較大。為消除尺度效應(yīng)的影響，采用實(shí)尺度完整船舶計(jì)算。計(jì)算區(qū)域的上下邊界為壓力邊界，遠(yuǎn)流場(chǎng)邊界為前后截面及遠(yuǎn)離船體一側(cè)。

圖2 船-RDT 裝置水動(dòng)力CFD 計(jì)算域及表面網(wǎng)格劃分情況Fig.2 Computational domain of hydrodynamic CFD and surface network division of the RDT device

2.2.2 網(wǎng)格劃分

采用軟件自帶前處理器自動(dòng)生成全六面體網(wǎng)格，在自由面網(wǎng)格進(jìn)行加密；對(duì)RDT 裝置封板、翼板和輪緣導(dǎo)流罩進(jìn)行充分加密，以反映RDT 裝置外形尺寸的影響。由于計(jì)算流速較低，進(jìn)行本船CFD 繞流問(wèn)題計(jì)算分析時(shí)將壁面邊界層分為了3 個(gè)子區(qū)域，即粘性底層、過(guò)渡層和慣性子層。

全部網(wǎng)格帶RDT 裝置，計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)為580 萬(wàn)。計(jì)算區(qū)域設(shè)置及船體-裝置表面網(wǎng)格劃分如圖2 所示。

2.3 波浪載荷計(jì)算分析

為充分考慮RDT 裝置所承受的極端載荷，在計(jì)算時(shí)，以船舶縱向航行，RDT 裝置軸線與船舶中縱向剖面呈90°夾角時(shí)受到的載荷最大。計(jì)算水流速度設(shè)置為3 kn，4 kn 和5 kn。分別計(jì)算船舶及RDT 裝置受到的水流沖擊載荷及水動(dòng)力載荷。

RDT 裝置在不同航速（水流）受到的水流沖擊載荷如表1 所示。

表1 RDT 裝置在不同流速下的受力計(jì)算Tab.1 Force calculation of the RDT device at different flow rates

可以看出，RDT 裝置在水流速度為5 kn 時(shí)候，承受的載荷最大，受到的水流沖擊載荷達(dá)到5.07 kN。RDT裝置在水動(dòng)力作用下，承受總波浪載荷如圖3 所示。

圖3 5 kn 航速時(shí)的RDT 裝置總波浪載荷圖Fig.3 Diagram of the total wave load of the RDT device at the speed of 5 kn

可以看出，在航速5 kn 的時(shí)候，承受到載荷為3 900 Pa。

2.4 載荷特征分析

裝置除了承受水動(dòng)力載荷之外，還受到靜壓力載荷，兩者合成為RDT 裝置承受的總的載荷。圖4 為RDT裝置在不同航速下所承受的靜水壓力載荷，可以看出，水動(dòng)力載荷比靜壓載荷小近20 倍，所以裝置以承受靜水壓力載荷為主，正比于吃水深度，最大壓力載荷為0.08 MPa。

圖4 5 kn 航速時(shí)的RDT 裝置水動(dòng)力載荷圖Fig.4 Hydrodynamic load of the RDT device at the speed of 5 kn

3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

3.1 基本參數(shù)

采用Ansys 軟件進(jìn)行有限元仿真，RDT 裝置采用Q235 鋼裝配制造而成，材料參數(shù)如表2 所示。

表2 RDT 裝置材料屬性Tab.2 Material properties of the RDT device

3.2 有限元模型

結(jié)構(gòu)模型采用三維有限元軟件進(jìn)行建模。由于該RDT 裝置的各部分結(jié)構(gòu)分別采用螺栓或焊接等方式進(jìn)行緊固。邊界條件采用剛固模式設(shè)置，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖5 所示。

圖5 RDT 裝置三維有限元模型Fig.5 The finite element model of the RDT device

3.3 邊界條件與載荷施加

由載荷特征分析可知在船速為5 kn 時(shí)，水動(dòng)力載荷較靜壓載荷大小相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此加載時(shí)，僅考慮靜水載荷。靜水載荷與水深成正比，將受力加載分為上、中、下3 個(gè)區(qū)域簡(jiǎn)化加載，如圖6 所示。

考慮到RDT 在實(shí)際使用過(guò)程中采用導(dǎo)軌方式進(jìn)行上下升降，本次分析中對(duì)其上部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行約束，如圖7所示。

圖7 邊界條件Fig.7 Boundray condition

3.4 強(qiáng)度分析結(jié)果

RDT 裝置底封板在靜水載荷下的整體變形與應(yīng)力分布如圖8 所示。RDT 裝置的最大變形出現(xiàn)封板遠(yuǎn)離支架處，為0.068 mm，且變形分布與靜水下的載荷分別趨于一致；RDT 裝置底部封板最大應(yīng)力出現(xiàn)在RDT 導(dǎo)管與支架接觸處，為4.56 MPa，應(yīng)力主要集中于支撐部件的拐角處，遠(yuǎn)小于材料的屈服極限235 MPa。

圖8 RDT 變形與應(yīng)力分布圖Fig.8 The deformation and stress distribution diagram of the RDT device

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)研究不同作業(yè)工況下RDT 裝置底封板的載荷成分和載荷特征，提出針對(duì)RDT 裝置底封板設(shè)計(jì)載荷確定方法，并進(jìn)一步開展了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估，主要結(jié)論如下：

1）RDT 裝置的波浪載荷隨航速的增加顯著增大，由輪緣導(dǎo)流罩傳遞到底封板的載荷也會(huì)相應(yīng)顯著增加。

2）對(duì)于本船RDT 裝置的布置方案，5 級(jí)海況下的RDT 裝置輪緣導(dǎo)流罩和底封板區(qū)域的波浪載荷成分占比較少，遠(yuǎn)小于靜水載荷，可忽略波浪載荷的影響。

3）RDT 裝置底部封板的最大應(yīng)力出現(xiàn)在RDT導(dǎo)管與支架接觸處，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該區(qū)域。