某海洋調查船輪緣側推裝置載荷及強度分析

左新平，林昭友，鄭銳聰

（1. 中交四航局江門航通船業有限公司, 江門 529145；2. 廣州海洋地質調查局, 廣州 510075：3. 廣州海工船舶設備有限公司, 廣州 511495）

1 前言

現代海洋調查船大都安裝了側推裝置，用于船舶動態定位和橫向操縱。傳統側推裝置大多采用隧道式，垂向位置固定，不能動態適應船舶不同的裝載工況；而伸縮式側推裝置能夠根據船舶吃水動態升降，成為一種新的選擇形式。特別是輪緣式推進裝置，結構簡單，靜音特性較好，更適合海洋調查船的低振動噪聲要求。

由于輪緣側推裝置設計較為新穎，其受力計算方法尚沒有規范。為評估某海洋調查船采用的新型輪緣側推裝置強度問題，建立船-側推裝置整體模型，采用計算流體動力學雷諾平均（RANS）方法，并考慮自由面的影響，計算船舶在前進航速下的水動力，得到船-側推裝置受力及載荷分布特性；在此基礎上，將載荷結果導入有限元模型，通過單向流固耦合方法對側推裝置的結構強度進行計算分析，得到側推裝置應力/應變分布。根據強度評估得知，側推裝置的最大變形出現在封板遠離支架處，且強度滿足要求。

2 輪緣側推裝置設計

某海洋地質調查船，主尺度參數為：船長85 m，垂線長77.75 m，船寬22 m，型深8.0 m，吃水為6.3 m，排水量7 614 t；船體線型設計為：首部采用垂直首，尾部采用適合全回轉推進裝置的縱流形船尾。

該船在船首110#肋位處安裝有動力定位用的側推裝置，側推裝置采用輪緣推進形式：輪緣內部具備槳轂，輪緣導流罩底部有圓形封板，導流罩和封板之間有加強筋。輪緣推進裝置結構示意圖，如圖1所示。

圖1 輪緣推進裝置基本結構示意圖

由于取消了傳統的動力傳動軸系，輪緣推進裝置將螺旋槳、電機和軸承進行一體化設計制造，根據應用場景又可為升降式，具有結構簡單、控制靈活等特點。

本文主要研究側推裝置在流載荷作用下的結構強度問題，暫不考慮槳葉脈動壓力及其他載荷作用，所以進行三維建模時對槳葉作簡化處理，僅對側推裝置承受載荷的關鍵部分進行三維建模，包括輪緣導流罩殼、封板、翼板及內部槳轂部分。

為了精確分析船舶航行過程中流場對側推裝置的影響，按照側推裝置在船舶實際布置建立船槳整體的三維建模，如圖2所示。

圖2 船-側推裝置整體模型

3 輪緣側推裝置受力及載荷分析

輪緣推進裝置承受的載荷，主要為側推裝置在船舶航行時受到的水流沖擊載荷，其主要和側推裝置的布置位置及具體流場相關。

因此，對于側推裝置強度分析需結合其船型布置特征進行整體考核。在水流沖擊載荷評估方面，將其作為自由面擾流問題來解決，采用VOF方法處理自由面，求解問題的數學模型的控制方程，包括：連續性方程、體積分數方程、動量方程，以及湍流模型的方程和方程。

3.1 控制方程

考慮不可壓縮黏性流，連續性方程和動量方程分別為：

式中：t為時間；為密度；為控制體；為控制體的面積；U為控制體面積法向向量的速度；U和p分別為速度和壓力；U為在坐標軸方向上的平均速度分量；τ和g分別為黏性應力張量和重力矢量；I和I分別為方向向量。

3.2 湍流模型

采用SST湍流模型，其湍動能和湍流耗散率的輸運方程分別為：

式中：μ為分子黏度；x為坐標軸；U為在xj坐標軸方向上的平均速度分量；μt為湍流渦黏度；t為湍流雷諾應力張量；為平均應變率張量；F為輔助混合函數；P為ω的導出項；，σ 和σ分別為湍流模型常數。

3.3 自由面捕捉算法

采用VOF方法捕捉自由面，其基本思路為采用構成函數c，空氣和水作為單一流體同時計算。其中，c在空氣中取值為0，在水中取值為1，如下式所示：

自由液面捕捉算法具有更好的靈活性和適應性，可較好地船體周圍流場的變化。

3.4 離散格式

控制方程采用隱式有限體積法進行離散，直接求解三維黏性不可壓多相流的RANS方程，具有2階空間和時間精度，動量方程離散采用GDS格式，時間離散采用時間步進算法；自由液面捕捉采用BRICS可壓縮型離散格式，能減小自由液面附近構成函數的數值擴散。

3.5 計算區域

由于計算水流速度較低，且船舶和側推裝置尺度差異較大。為最大程度消除尺度效應的影響，本計算采用實尺度完整船舶計算，計算區域設置為6L×3 L×2L，前邊界設置為船前1.5L、后邊界為船后3.5L處、左/右邊界為船側1.5L、上邊界為水線以上0.5 L處、下邊界為水線以下1.5L處。計算區域如圖3所示。

圖3 船-側推裝置水動力計算域設置

計算域邊界條件設置為：上下邊界取為壓力邊界，前后及左右邊界全部設置為為遠流場邊界條件；船體甲板面為滑移面，其他物面為不可滑移物面條件；在求解過程中存在時間偏導項，船體從靜止加速到給定航速，給定航速求解至收斂。

3.6 網格劃分

計算網格質量影響數值計算的效率和準確性。本文采用FINE/Marine水動力計算軟件，使用該軟件自帶的網格生成器，通過網格粗化、網格細化、網格吸附以及邊界層插入、形成貼體的全六面體非結構化網格；在網格尺寸設置方面，根據計算經驗，對于自由面網格進行充分加密，以捕捉自由面波形的影響；對船舶側推裝置封板、翼板和輪緣導流罩進行充分加密，以反映側推裝置外形尺寸的影響：

根據Y+確定邊界層網格尺寸，如上式（6）所示。本次計算設置Y+為100左右。全部網格帶側推裝置，計算網格總數為580萬；網格質量通過正交性來保證，絕大部分網格正交性為90 deg，最小正交性為23.5 deg。計算區域設置及船體-裝置表面網格劃分如圖3～4所示。

圖4 船-側推裝置表面網格劃分

為充分考慮側推裝置在各個前進航速下承受的載荷，計算時以船舶縱向航行、側推裝置軸線與船舶中縱向剖面呈90°夾角時受到的載荷最大；根據船舶常用的前進速度3 kn、4 kn和5 kn，計算船舶及側推裝置受到的阻力及水動力載荷。

3.7 計算結果分析

本次計算采用類似船型裸船+附體驗證的方式，計算精度在3%以內。對于在不同航速（水流）受到的阻力差異較大，具體計算值如表1所示?？梢钥闯?，側推裝置在水流速度為5 kn時候承受的載荷最大，達到5.07 kN。

表1 不同流速下的受力，單位kN

側推裝置在水流作用下，承受的水動力載荷，如圖5所示。

圖5 船-側推裝置水動力載荷分布

由圖5可以看出：不同航速下側推裝置承受的載荷分布位置基本相似，都位于導流罩及翼板加強筋的迎風面；承受的載荷大小根據航速不同差異較大，在航速5 kn時，承受載荷最大為3 900 pa，這種載荷數值相對很小。

側推裝置除了承受水動力載荷之外，還受到潛水深度的靜壓力載荷，兩者合成為側推裝置承受的總的載荷，如圖6所示。

圖6 船-側推裝置總載荷分布

上圖為側推裝置在不同航速下所承受的靜水壓力載荷，可以看出，水動力載荷相比于靜壓載荷是個小量，所以側推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0.8 Mpa，相對亦較小。

4 輪緣側推裝置強度分析

4.1 有限元模型建立

輪緣側推裝置受力分析和強度校核，采用Ansys軟件進行有限元仿真。該輪緣側推裝置裝置采用Q235鋼裝配制造而成，由于該裝置的各部分結構分別采用螺栓或焊接等方式進行緊固，故在接觸設置時均采用綁定設置。

網格劃分采用體網格方式，其中輪緣側推裝置模型網格尺寸為20 mm，單元總數為878 894，節點總數為487 460。上述網格劃分方式下，網格質量符合正態分布，均集中于0.6～1.0區間內。

根據輪緣側推裝置水下靜壓及水動力載荷分布圖，可知在船速為5 kn時，水動力載荷較靜壓載荷大小相差一個數量級，故有限元加載時忽略水動力載荷的影響；因靜壓載荷由吃水深度決定，為簡化加載，將輪緣側推裝置分為上、中、下三個加載區域分別加載；同時，考慮到輪緣側推裝置在實際使用過程中采用導軌吊裝的方式進行上下升降，本文分析中對其上部節點6DOF分別進行約束，如圖7所示。

圖7 約束施加

4.2 強度計算結果分析

輪緣側推裝置在靜水載荷下的整體變形與應力分布，如圖8所示。由圖8可知：輪緣側推裝置的最大變形出現在封板遠離支架處，為0.068 mm，且變形分布與靜水下的載荷分布趨于一致；輪緣側推裝置最大應力出現在輪緣側推裝置導管與支架接觸處，為4.56 MPa，且應力主要集中于支撐部件的拐角處；目前規范對于附體裝置要求，主要是應力強度衡準，即裝置許用應力不超過材料屈服應力0.5倍。本側推裝置承受的載荷，僅為材料屈服應力的1.9%。在衡準要求范圍之內。

圖8 輪緣側推裝置變形與應力分布圖

5 結論

本文針對某海洋調查船輪緣側推裝置強度評估問題，建立船-側推裝置整體模型；采用計算流體動力學雷諾平均（RANS）方法，并考慮自由面的影響，計算船舶在前進航速下的水動力，得到船-側推裝置受力及載荷分布特性；在此基礎上，將載荷計算結果導入有限元模型，采用單向的流固耦合方法對側推裝置的結構強度進行計算分析，得到側推裝置應力/應變分布。

根據強度評估得知：側推裝置的最大變形出現在封板遠離支架處，變形分布與靜水下的載荷分布趨于一致；輪緣側推裝置最大應力出現在輪緣側推裝置導管與支架接觸處，裝置承受應力滿足CCS規范關于附體的許用應力要求。