基于有限元方法的船舶主推進器區域結構強度分析

朱永凱

（中海油能源發展采油服務公司，天津 300452）

基于有限元方法的船舶主推進器區域結構強度分析

朱永凱

（中海油能源發展采油服務公司，天津 300452）

隨著國內運輸船日趨大型化、高速化，大型雙槳雙舵船舶的應用越來越廣泛。本文分析雙槳雙舵船舶的特點，提出適合國內建造大型雙槳雙舵船舶主推進區域結構強度分析方法。在推進器不同推進角度和推進速度情況下，推進器所受的力進行有限元分析，對推進器區域船體外板、各層平臺及肋骨等強力構件的受力進行研究，并與船級社規范對比研究，保證船體的基本構件穩定性和剛度上的要求從而為我國大型雙槳雙舵船舶的建造提供一些可行性的思路。

結構強度分析；主推進區域；有限元

0　引　言

隨著航運業的發展，過去主要用于軍用艦船的雙槳雙舵船舶得到越來越廣泛的應用［1］，特別是在大型LNG 運輸船中開始大量應用。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，并可實現安全、高效和節能等目的。在對船舶經濟性和安全性要求不斷提高的現代社會，雙槳雙舵船舶的應用領域將會不斷擴大。因此，對雙槳雙舵船舶建造技術的研究，將具有重要的理論和工程意義。

隨著結構應力分析理論和實驗技術的發展，船體結構設計和材料使用的日趨經濟合理［2］，船體結構在極端條件下的強度問題就日益突出起來，這已經成為國際船舶結構力學領域近期的一個熱點研究課題。目前，極限強度計算方法大致有簡化計算方法、直接計算方法、有限元方法的幾種。簡化計算方法雖然計算速度快，使用方便，但由于過多簡化而顯得精度不夠。有限元方法［3-4］是解決復雜工程結構問題的強有力工具，在結構非線性分析中，大型有限元程序如 PATRAN，NASTRAN，DYTRAN，MARC，Ansys和ADINA 等發揮著越來越重要的作用，利用它們同時考慮幾何和材料的非線性，可得到船體結構的極限強度值。

1　有限元計算模型

以國內首制 3 萬方 LNG 運輸船主推進區域船體結構進行強度計算［5］，船舶主尺度見表1。由于本船采用雙軸系，左右對稱布置。因此，計算模型的范圍為沿船縱向從船尾到 10 號肋位，沿船寬方向從左舷舷側到中縱剖面，沿垂向自船底向上至 12 500 平臺。

表1　3 萬方 LNG 運輸船主尺度Tab. 1　PRINCIPAL PARTICULARS

1.1計算模型

有限元計算應用 MSC 公司有限元計算軟件MSC.PATRAN&NASTRAN 完成。

有限元模型包括了主推進器區域結構的主要構件，如外板、平臺板、艙壁、桁材等［6-7］。計算模型的外板、平臺板、艙壁板及桁材腹板等主要構件均模擬為4節點或3節點板單元，外板橫骨、平臺縱骨、艙壁扶強材、桁材面板以及支柱等次要構件均模擬為2節點梁單元。

有限元模型建立在 XYZ 右手笛卡爾坐標系統，坐標原點位于 FR0 橫剖面和B.L. 的交點處，坐標軸的方向如下：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。

有限元網格按照肋距和骨材間距進行尺度劃分。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構件尺寸和材料特性

三維有限元模型中的構件尺寸源于船體分段結構圖，模型中構件采用建造厚度。

船體鋼材的物理參數為下：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：

對于 FR10 橫剖面上所有節點，約束 X，Y，Z 三方向線位移；

對于 12 500 平臺上所有節點，約束 X，Y，Z 三方向線位移；

對于船中縱剖面的橫艙壁截面上的節點，約束Y，Z 方向線位移和X 方向角位移；

對于船中縱剖面的平臺截面上的節點，約束 X，Y方向線位移和Z方向角位移；對于船中縱剖面的外板截面上的節點，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　計算載荷及計算工況

計算工況根據舵螺推進器的轉角來選取。

工況 1：舵槳推進器向左舷旋轉 35°；

工況 2：舵槳推進器向左舷旋轉 15°；

工況 3：舵槳推進器轉角為0°；

工況 4：舵槳推進器向右舷旋轉 15°；

工況 5：舵槳推進器向右舷旋轉 35°；

對于每一個工況，計算載荷由以下幾部分組成：

1）舵槳推進裝置的重量約為111 t；

2）船體運動的垂向加速度約為5.977 m/s2，根據ABS《Rules For Building and classing steel vessels 2012》的計算方法得出（見表2）。

表2　垂向加速度計算結果Tab. 2　Vertical acceleration calculation

表中：V 為最大服務航速，kn；V1為航速，kn；Tsc為結構吃水，m；TLC為吃水，m；Cb為方形系數；x 為船長方向坐標，m；y 為船寬方向坐標，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）推進器所受的水動力由設備廠商提供，由于其未考慮波浪與船體運動的影響，本計算對其取安全系數 1.5（見表3和圖3）。

表3　推進器所受水動力Tab. 3　Hydrodynamic force

圖3　計算載荷示意圖Fig. 3　Hydrodynamic force

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

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

3　強度準則

參照ABS《Rules for building and classing steel vessels 2012》中有關吊艙推進設備支承結構主要構件許用應力的相關規定，船體結構強度直接計算的衡準如下：

許用正應力：［σ］=0.59σFN/mm2；

許用剪應力：［τ］=0.44σFN/mm2；

許用相當應力：［σe］=0.85σFN/mm2；

應力集中處許用相當應力：［σepeak］=σFN/mm2

材質為普通強度鋼，σF取 235 N/mm2，許用應力如表4所示。

表4　許用應力Tab. 4　Permissible Stress Values

4　計算結果

各計算工況下船體結構中主要結構的單元平均應力最大值如表5所示。

表5　主要構件最大應力Tab. 5　Maximum average element stresses in main structural members

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

工況 3 條件下船體結構變形如圖5所示。本節所示的應力分布圖表示的是模型在計算工況中的相當應力分布，圖中所示應力的單位為N/mm2。

各計算工況下船體結構應力如圖5～圖10所示。本節所示的應力分布圖表示的是模型在計算工況中的相當應力分布，圖中所示應力的單位為N/mm2。

圖5　結構變形圖（工況 3）Fig. 5　Displacements of structures at Load case 3

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

圖7　距基線 9 000 mm 平臺板相當應力分布圖（工況 5）Fig. 7　Von Mises stress of Platform

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

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

圖10　其他構件相當應力分布圖（工況 5）Fig. 10　Von Mises stress of others

5　結　語

通過對 3 萬方 LNG 運輸船推進其區域進行有限元分析，可以得到主要構件的應力分布圖，并得到以下結論：

1）主要支撐結構構件的應力值均不超過許用應力范圍，滿足強度要求。

2）高應力集中位于 10 號肋位橫艙壁處，設計應根據計算結果對該區域進行加強。

3）本文利用有限元軟件進行推進器區域強度分析，提出一種對船體局部結構強度計算的有效方法。

［1］陸國強， 賀迎賓， 曲道龍. 雙槳雙舵船舶建造技術研究［J］. 中國機械， 2011（22）： 65-66.

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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構物設計、建造及管理。