吊艙式推進器支撐結構設計與校核

張旭 駱偉 張艷 董威 曹俊偉

摘? ? 要：介紹了船舶吊艙式推進器的性能優點，吊艙推進器支撐結構設計校核的難點，給出吊艙支撐結構設計和校核的指導思路。結合一艘4000t級船舶，提出吊艙支撐結構設計的具體實施方法，并采用有限元分析方法，對設計的吊艙支撐結構結構進行校核，驗證設計的合理性，為同類吊艙支撐結構的設計、校核及進一步優化提供指導。

關鍵詞：船舶吊艙推進;支撐結構;有限元方法

中圖分類號：U663.7? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： The performance advantage of the pod propeller are described， and the difficulty in design and check of the pod propeller supporting structure is introduced. The guidance of the design and check of the POD propeller supporting structure is provided. Combined with a 4000t-class vessel， a detailed description of the design of the pod propeller supporting structure is put forward， a finite element analysis method is adopted to check the designed supporting structure and the rationality of the design is verified， and the guidance for the design， check and further optimization of the similar pod propeller support structure is provided.

Key words： Pod propeller of ship; Supporting structure; Finite element analysis

1? ? ?引言

船用吊艙式推進器突破了傳統“柴油機加開放式傳動軸系”的推進器設計形式[1]，將推進電機和螺旋槳共軸制成獨立的推進模塊安裝于船尾部，其推進電機和螺旋槳直接連接，組成獨立的推進模塊（見圖1），并安裝于船體底部的流線型吊艙器內[2]。該推進模塊（吊艙）不僅可以行使推進功能，而且可以通過控制旋轉角度實現對推進方向的控制，替代通常使用的舵和軸系，極大地提高了船舶設計、建造及操控使用的靈活性。基于上述優點，近年來吊艙式推進器越來越受到青睞，而其支撐結構的設計成為影響其應用的重點問題。

船用吊艙式推進器一般安裝于尾艙底板的兩舷，由于其運轉時受力較大且復雜，運行精度要求較高，因此對安裝處的結構有較高的強度、剛度及空間要求[5]。為此，安裝區的支撐結構需作特殊加強，而尾艙兩舷的空間一般較為狹小，故對支撐結構的型式有較高要求;此外，船用吊艙的支撐結構設計還需綜合考慮結構施工的工藝性等問題。

如何結合吊艙受力特點，充分利用原有船體結構，設計出滿足強度、剛度、使用要求、輕量、簡潔的吊艙支撐結構，是本文研究的重點內容。

2? ? 船用吊艙支撐結構設計

船用吊艙支撐結構設計的目標是：滿足吊艙推進器運轉時的強度及剛度要求，滿足施工及維護要求，盡可能減少占用空間、減輕結構重量、節約總體資源。為達到上述目標，采用能夠有效的傳遞載荷、結構穩定簡潔的輻射型支撐結構型式。具體設計思路為：根據船用吊艙式推進器的安裝面確定設備安裝位置，再結合吊艙式推進器所處艙室的實際空間和原船體構件分布情況，確定支撐結構加強范圍;在吊艙式推進器上部設置環形基座，包括基座腹板、基座面板，將環形基座腹板牢固地焊接在船底板上;選取支撐結構加強范圍內的吊艙式推進器環形基座外側適當距離的原船體強構件，如龍骨、肋板或艙壁作為主框架，以環形基座中心為圓點向周圍主框架設置輻射形肘板，以便基座上的受力向主框架上有效傳遞;輻射形肘板在主框架外與原船體構件形成連續結構，使應力分布更均勻;輻射肘板與環形基座面板采用圓弧過渡并牢固焊接，增加支撐結構的整體剛度。必要時對支撐結構加強范圍內的原船體構件采取加厚及加固等措施予以加強;為滿足施工及維護要求，應盡量均勻布置輻射肘板，合理選取肘板面板寬度，避免與原船體構件形成狹小空間。

現介紹一例4 000 t級船舶吊艙推進支撐結構的具體設計方法：目標船吊艙功率1600 kW、環形基座腹板直徑2 060 mm、環形基座腹板板厚34 mm、環形基座面板板厚80 mm;原船船底結構為橫骨架式，每600 mm設置實肋板、每2000 mm間距設置龍骨;根據吊艙安裝位置，選取距中1500 mm縱艙壁、距中6000mm旁內龍骨、FR3、FR9實肋板作為吊艙支撐結構的主框架，左右舷的實肋板過渡加厚至30 mm與環形基座腹板連接兼做輻射支撐肘板，面板過渡加厚至32 mm與環形基座面板連接;由吊艙環形基座面板中心向船首及船尾方向設置30 mm的輻射支撐肘板及32 mm的面板，在主框架外設置短龍骨繼續向首尾主橫艙壁延伸;各支撐肘板及相應面板端部均設置圓弧過渡區;船體外板由原12 mm加厚至16 mm，加厚范圍選取主框架以外200 mm范圍。吊艙支撐結構形式，見圖2。

由圖2可以看出，本文設計的吊艙支撐結構充分利用原有船舶構件，結構完整連續，構件分布均勻，可保證施工及維護空間要求，具有良好的工藝性。

3? ? 船用吊艙支撐結構校核

由于吊艙支撐結構無統一標準化設計及校核方法，因此需采用直接計算方法校核其強度、剛度是否滿足要求。下面結合上述4 000 t級船舶的吊艙支撐結構設計實例，采用有限元仿真方法對吊艙支撐結構進行強度及剛度校核。

3.1? 有限元模型

參考CCS《鋼制海船入級規范》第2篇第3章第7節甲板設備支撐結構直接計算的相關要求，為了更真實地模擬吊艙基座周圍力的傳遞對基座的影響以及基座隨船尾的整體變形情況，建模范圍取整個吊艙艙段從主甲板至船底板所有結構[6]。

有限元模型采用右手坐標系：原點設于尾垂線和基線相交處;x軸為沿船長方向向船首方向為正;y軸為沿水平方向向左舷為正;z軸為垂向由原點向上為正。

根據結構的實際受力狀態，將吊艙各類結構用以下單元類型模擬[7]：

板殼元（四節點，shell181）：甲板、外板、縱艙壁及橫艙壁、基座及其面板、肋板、縱桁及強橫梁腹板等;

梁元（三節點，beam 189）：板材上的縱橫骨材、肋板上的面板、縱橫艙壁上扶強材、支柱等;

MPC單元：主從自由度用以加載集中外載，將法蘭盤安裝面上的各個節點耦合于法蘭盤安裝面的中心上。

模型的網格尺寸最大為300 mm，共包含19353個shell單元、6 906個beam單元及2個MPC單元。

根據所選材料：屈服極限為235 Mpa;材料參數為E=2.01×1 011 pa;μ=0.3;ρ=7 850 kg/m3。

吊艙艙段及支撐結構的有限元模型，如圖3、圖4所示。

3.2? ?邊界條件

參考CCS《鋼制海船入級規范》第2篇第3章第7節甲板設備支撐結構直接計算的邊界條件相關要求，應在主要支撐結構處設置位移約束。因此將吊艙艙段首端的主橫艙壁與外板及甲板相交處的節點做簡支約束。

3.3? ?載荷

根據設備資料，吊艙產生的載荷合成后為：重力342 kN、徑向螺旋槳產生的拉力589 kN、傾斜力矩1456 kN·m、轉舵時產生的水平力矩443 kN·m。由于吊艙可360 °旋轉，因此選取0、±45°、±90°、±135°及180°方向推進共8種計算工況，各工況載荷換算值如表1所示。

在具體施加載荷時，在吊艙環形基座的安裝面上建立剛性域，將環形基座上各個節點耦合于環形基座安裝面中心的節點上，將載荷施加于中心節點上。載荷施加示意圖，如圖5所示。

3.4? 校核衡準

由于吊艙推進器與船體外板間的距離、角度等對推進器周圍流場有巨大影響，影響推進器的推進效率。若吊艙推進器支撐結構在推進器運行過程中發生過大的相對變形，將導致推進器與船體外板間的距離、角度偏離設計值，從而降低推進效率甚至產生安全隱患。因此，不同于其他以強度校核為主要指標的支撐結構，吊艙推進器支撐結構的主要設計指標還應滿足嚴苛的剛度要求。參考CCS《鋼制海船入級規范》第2篇第3章第7節甲板設備支撐結構直接計算的許用應力相關要求，吊艙支撐結構校核衡準取為：基座區域允許最大相對變形（即法蘭盤安裝面與相鄰區域原船體外板間的相對變形）為1 mm;合成應力的許用值為235 Mpa。

3.5? ?計算結果

通過仿真計算分析，可得到吊艙推進器各角度運轉時支撐結構的合成應力結果、法蘭盤安裝面節點的位移及計算得出的最大相對位移數值，如表2所列。

由表2所列結果及位移云圖（略）可知：吊艙在各工況推進時，吊艙推進器支撐結構上的最大應力均出現在與吊艙推進器基座腹板相連的外板上;最大相對變形均出現在吊艙推進器基座的面板上;各工況下應力及變形數值均小于相應限值，即吊艙推進器支撐結構的強度及剛度均滿足相關校核衡準要求。

在滿足強度及剛度要求基礎上，為減輕重量進一步對支撐結構各構件的布置及尺寸選取進行對比分析，得到支撐結構各部件的合理布置范圍及規格區間如下：吊艙支撐結構加強范圍以距吊艙推進器環形基座中心2.5～3.0倍吊艙環形基座直徑距離為宜;主框架選取在距吊艙式推進器環形基座中心2.0～2.5倍吊艙環形基座直徑距離為宜;輻射肘板間距以1.0～1.5倍肋距為宜;肘板腹板板厚一般不小于環形基座腹板的0.8倍、面板板厚一般取腹板厚度加2 mm以上;支撐結構加強范圍內的桁材、肋板等構件宜加厚至與輻射肘板等厚;基座附近的外板應較原外板增厚約0.4倍為宜;增厚范圍以吊艙在外板開口直徑的1.5～2.0倍為宜。以此形成一個滿足船用吊艙安裝和使用要求且輕量化的吊艙支撐結構。

4? ? 結語

船用吊艙推進器支撐結構設計是吊艙應用的關鍵技術之一。為設計出能滿足設備強度及剛度要求，同時保證施工及維護空間要求及重量輕，結構簡潔的吊艙支撐結構，應遵循以下設計原則：（1）合理選取支撐結構加強范圍，最大限度節省空間資源;（2）采取輻射型結構型式，加強構件布置應盡量均勻;（3）利用強構件形成主框架，增加支撐結構整體強度及剛度;（4）保證構件連續性，主要構件盡量向首尾主橫艙壁處延伸;（5）所有構件應合理過渡，避免結構突變造成應力集中;（6）必要時對支撐結構加強范圍內的原船體構件采取加厚及加固等措施予以加強;（7）合理選取支撐結構構件尺寸，盡量控制支撐結構重量;（8）合理選取構件面板寬度，避免形成狹小空間影響設備施工及維護;（9）充分利用原船體構件，節約總體資源。

由上述仿真計算校核結果可知，依據本文設計指導原則設計的吊艙式推進器支撐結構合理有效：輻射式支撐肘板能夠有效地向各個方向傳遞吊艙式推進器不同角度操縱時的受力;輻射肘板與基座間的圓弧過渡連接減小了局部應力集中;輻射肘板在主框架之外延續與原有船體主要構件連接，減小了結構突變，使得整個吊艙支撐結構范圍內應力較小且分布較均勻;連續、封閉的主框架牢固而穩定，有效的限制了結構及設備變形，滿足設備運行時嚴苛的剛度要求。

現行規范尚未有關于吊艙式推進器支撐結構的完整的校核方法及衡準。本文從設備使用要求出發，給出了吊艙支撐結構校核的思路，采用有限元仿真分析方法，直觀的展示了吊艙推進器支撐結構的應力和變形分布。本文提供的仿真模型模擬原則、計算工況的簡化和選取、約束的選取、校核衡準的選取等，對同類船舶吊艙推進器支撐結構的校核及進一步優化設計具有較好的指導意義。

參考文獻

[1]馬馳，張旭，錢正芳等. POD 推進器技術發展及其應用前景[J].船舶工程，2007（6）：25-29.

[2] 咸屹，聶文天. 吊艙式全回轉電力推進器的現狀及展望[J].江蘇船舶，2007（6）：28-29.

[3]邵赟，黃磊.“科學號”科學考察船吊艙式電力推進系統關鍵技術[J].船海工程，2015.

[4] 高海波，高孝洪，陳輝等. 吊艙式電力推進裝置的發展及應用[J].武漢理工大學學報，2006（1）：77-79.

[5] 高宜朋，曾凡明，張曉峰. 吊艙推進器在艦船推進系統中的發展現狀及關鍵技術分析[J].中國艦船研究，2011（1）：90-96.

[6]中國船級社. 鋼質海船入級與建造規范[M].北京：人民交通出版，2018.

[7]劉笑天. ANSYS Workbench結構工程高級應用[M].北京：中國水利水電出版社，2015.