螺栓預緊力對上舵承的強度影響分析

陳壯 陳路 張夢婷

摘? ? 要：船舶平面摩擦上舵承通常配備止推塊及緊固螺栓（或緊固螺柱），用于承受由舵葉水動力引起的徑向載荷。緊固螺栓可承受徑向載荷值與螺栓預緊力值成正比關系，在徑向載荷不變的情況下，通過調整螺栓預緊力值可改變螺栓可承受徑向載荷值，進而對上舵承本體及止推塊強度產生影響。本文以2600TEU集裝箱船上舵承為實例，使用軟件Solidworks/Simulation 模塊對不同螺栓預緊力下的上舵承強度展開分析，確定適用于本船上舵承螺栓預緊力范圍。本文仿真分析的方法和結果，為類似上舵承螺栓預緊力分析提供了很大的參考價值。

關鍵詞：上舵承；螺栓預緊力；Solidworks/Simulation

中圖分類號：U664.4? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Simulation Analysis of Bolt Pre-tightening Force Influence

on Upper Rudder Bearing Strength

CHEN Zhuang 1， CHEN Lu1， ZHANG Mengting2

（ 1.Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute， Shanghai 201203;? 2.CSSC WaiGaoqiao Cruise Supply Chain Co.，Ltd， Shanghai 200137 ）

Abstract： Ships plane friction upper rudder carrier are usually equipped with chock stopper and fastening bolt （or fastening double-screw bolt） for bearing radial force caused by hydrodynamic force of rudder blade. The radial load bearing value of fastening bolt is directly proportional to the pre-tightening force value of bolt. Under the condition that the radial load keeps unchanged， the bolt radial load bearing value can be changed by adjusting the bolt pre-tightening force value， which can make impact on the strength of upper rudder carrier body and chock stopper. This paper is based on 2 600 TEU container vessel upper rudder carrier， using software Solidworks/Simulation module to analyze the strength of upper rudder carrier under different bolt pre-tightening force， and to determine the range of upper rudder carrier bolt pre-tightening force applicable to this ship. The method and results of the simulation provide great reference for the analysis of similar upper rudder carrier bolt pre-tightening force.

Key words： Upper Rudder Carrier;? Bolt Pre-tightening Force;? Solidworks/Simulation

1? ? ?前言

平面摩擦上舵承作為船舶舵系的重要組成部分，其主要作用是承受由舵葉上水動力引起的徑向載荷及由舵系重力引起的軸向載荷。常用的平面摩擦上舵承，包括：

（1）與普通半懸掛舵系適配的船標A型及B型上舵承。其中，船標B型上舵承工作原理為上舵承本體通過六角頭螺栓緊固于上舵承基座（如圖1所示），本體外周均勻分布一定數量的止推塊，止推塊焊接在上舵承基座上，緊固螺栓及止推塊用于承受徑向載荷，上舵承架內嵌于舵桿凹槽，以承受包括舵葉、舵桿、舵柄及液壓螺母等舵系部件的重力[1]；

（2）與全懸掛舵適配的下沉式上舵承（如圖2所示）。其原理為上舵承本體內嵌于全懸掛舵套筒且通過雙頭螺柱緊固于舵套筒，本體外周均勻分布一定數量的止推塊，上舵承整體位于舵機艙甲板以下，雙頭螺柱、止推塊用于承受徑向載荷，上舵承架則用于承受舵系重力；

（3）能適配普通半懸掛舵及全懸掛舵的半下沉式上舵承（如圖3所示）。其原理為上舵承整體位于舵機艙甲板以上，本體下緣部分內嵌于舵套筒。與下沉式上舵承類似，半下沉式上舵承通過雙頭螺柱及止推塊承受徑向載荷，上舵承架承受舵系重力。

由以上三種類型平面摩擦上舵承可知，上舵承均使用止推塊及緊固螺栓（或緊固螺柱）用于承受由舵葉水動力引起的徑向載荷，由上舵承組件基本原理可知，在徑向載荷不變的情況下，通過調整螺栓預緊力值可改變螺栓可承受徑向載荷值，進而對上舵承本體及止推塊強度產生影響。因此，有必要對不同螺栓預緊力下的上舵承強度展開分析，以確定較為合理的螺栓預緊力。

SolidWorks/Simulation是一個完全集成于三維軟件SolidWorks設計分析系統，憑借著快速解算器的強有力支持，SolidWorks/Simulation 可進行零件和產品應力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析、優化分析及流體分析等仿真分析[2]。考慮到SolidWorks/Simulation在零件和產品設計和仿真一體化分析方面的優勢，本文使用SolidWorks/Simulation對不同螺栓預緊力下的上舵承強度進行分析。

2? ? 半下沉平面摩擦上舵承原理

本文以中船集團上海船舶研究設計院設計的2600 TEU支線集裝箱船舵系的半下沉式水密上舵承為分析對象，在軟件Solidworks中建立其三維模型，其上舵承三維裝配圖如圖4所示。

半下沉水密上舵承本體及舵承架均為Half型，兩舵承架通過4組螺栓螺母緊固連接，舵承架位于本體上方，用于承受舵系重力；兩舵承本體通過8組螺栓螺母緊固連接，然后通過18組雙頭螺柱螺母固定于舵套筒端部法蘭面，舵承本體外周對稱布置了6組焊接于舵機艙甲板的止推塊，雙頭螺柱及止推塊用于承受作用在舵承本體上的徑向載荷。

3? ? Solidworks/Simulation有限元分析

本文重點分析不同螺柱預緊力下的上舵承本體及止推塊強度。考慮到零部件的數量及零部件相互接觸面數量直接影響仿真的速度及穩定性，結合對上舵承各組件受力初步分析，對仿真模型進行簡化，僅分析徑向載荷作用在舵承本體時上舵承的強度。簡化后的仿真模型，如圖5所示。

3.1? ?零部件材料屬性

仿真模型組件，包括：上舵承本體、舵承本體緊固螺栓螺母、舵承本體緊固雙頭螺柱螺母、止推塊、舵套筒及舵機艙甲板。根據模型組件設計計算及選型，設定其材料參數：舵承本體及舵套筒為鑄造碳鋼ZG230-450；止推塊為EH36板；緊固螺栓及雙頭螺柱為8.8級，其配套厚螺母、薄螺母均為8級。

3.2? ?零部件接觸約束

根據模型零部件的實際接觸情況，考慮到零部件接觸面的類型和數量對仿真速度有很大影響，設置：舵承本體間接觸為無穿透；舵承本體緊固螺栓螺母與舵承本體間接觸為無穿透；雙頭螺柱螺母與舵承本體間、舵套筒間接觸為無穿透；緊固螺栓與螺母間接觸為結合；雙頭螺柱與螺母間接觸為結合；舵承本體底面、止推座底面與舵套筒端面接觸為無穿透；舵承本體外緣與止推楔塊間接觸為無穿透；止推楔塊與止推座間接觸為結合。

3.3? ?零部件固定面

根據上舵承在船上實際安裝情況，設置：模型固定面為止推座與舵機艙甲板焊接面；舵套筒與尾部船體焊接面。

3.4? ?徑向載荷及螺柱預緊力

根據舵系計算書，施加在上舵承處的徑向載荷約為600 kN。考慮到上舵承內壁承受徑向載荷時并非整個內壁均勻受力，考慮安全余量的徑向載荷施加在本體內壁部分區域；上舵承本體間連接螺栓及與舵套筒緊固雙頭螺柱型號均為8.8級M39，實際安裝時擰緊力矩約為2 850N·m，預緊力約為370000 N，因此仿真分析分別在預緊力為150000 N、200000 N、250000 N、300000N及350000 N情況下展開，考慮到雙頭螺柱預緊力實際的施加情況，設定力施加在雙頭螺柱螺母端面以模擬螺柱預緊力。

3.5? ?模型網格

Solisworks/Simulation有三種automeshers可供選擇：（1）基于標準的網格。標準網格格劃分器，非常適合創建元素大小非常均勻的對稱網格；（2）基于曲率的網格。基于曲率的網格使用可變的元素大小，以使其在處理復雜幾何或小特征時更加靈活和健壯；（3）混合曲率的網格。對無法使用標準網格或基于曲率的網格進行網格化的模型，使用基于混合曲率的網格。基于對模型仿真速度及仿真準確度的綜合考慮，本仿真采用基于曲率的網格結合網格控制對模型進行劃分，零部件在曲率變化較大處會有更密的網格，較小的零部件相對于較大的零部件設置更小的網格單元，非分析重點零部件設置較大的網格單元。

3.6? 仿真結果分析

設置仿真器參數及解算器參數，在徑向載荷900kN、雙頭螺柱預緊力分別為150000N、200000N、250000N、300000N及350000N條件下進行仿真分析：

（1）上舵承本體及止推塊應力云圖，如圖6、圖7所示。為更加直觀的觀察上舵承本體及止推塊的應力分布情況，對應力云圖進行ISO剪裁，其中設定上舵承本體顯示應力超過30 MPa區域，設定止推塊顯示應力超過10 MPa區域。

由仿真結果可知：舵承本體受徑向載荷一側較另一側舵承本體應力值大，在本體連接螺栓孔、本體固定螺柱孔及受徑向載荷側本體局部區域處應力值較大，最大值出現在受徑向載荷側螺柱孔處約為119 MPa，本體屈服強度約為230 MPa，本體強度滿足使用要求；止推塊應力大值出現在受徑向載荷一側楔塊處，楔塊的底角出現應力集中，相對楔塊其他區域應力更大，止推塊應力最大值約為268 MPa，止推塊材料為EH36，屈服強度約為355 MPa，強度滿足使用要求。

（2）徑向載荷900 kN、螺栓預緊力200000N條件下，上舵承本體及止推塊應力云圖，如圖8、圖9所示。

由仿真結果可知：螺柱預緊力增加后，直接導致了本體螺栓孔周邊應力增加，最大值約為139 MPa；止推塊的應力隨著螺栓預緊力增加而減小，應力集中同樣出現在楔塊底角處，應力最大值約為250 MPa。舵承本體及止推塊的強度均滿足使用要求。

（3）徑向載荷900 kN、螺栓預緊力250000 N條件下，上舵承本體及止推塊應力云圖，如圖10、圖11所示：

由仿真結果可知：舵承本體螺栓孔周邊應力最大值增加至173 MPa；止推塊楔塊底角處應力最大值減小至244 MPa。舵承本體及止推塊的強度均滿足使用要求。

（4）徑向載荷900kN、螺栓預緊力300000N條件下，上舵承本體及止推塊應力云圖，如圖12、圖13所示。

由仿真結果可知：隨著螺柱預緊力線性增加，舵承本體螺栓孔周邊應力最大值增加幅度變大，最大值為207 MPa；止推塊楔塊底角處應力最大值減小幅度變小，最大值為242 MPa。舵承本體及止推塊的強度均滿足使用要求。

（5）徑向載荷900 kN、螺栓預緊力350000N條件下，上舵承本體及止推塊應力云圖，如圖14、圖15所示。

由仿真結果可知：隨著螺柱預緊力繼續增加，舵承本體螺栓孔周邊應力最大值增加至241 MPa，超過了本體的屈服強度，螺栓孔周邊由局部壓潰的風險；止推塊楔塊底角處應力最大值減小幅度很小，為242 MPa。止推塊的強度均滿足使用要求。

為直觀分析不同螺栓預緊力下的上舵承本體應力及止推塊應力趨勢，根據各螺栓預緊力下的仿真結果繪制折線圖，如圖16所示。

由舵承本體及止推塊應力趨勢可知：止推塊的應力并不會隨著螺柱預緊力的增加而持續減小，預緊力超過一定值時，止推塊應力減小的幅度很有限，反而過大的預緊力會使舵承本體螺栓孔局部區域存在壓潰的風險，對上舵承本體的緊固及上舵承與舵套筒的緊固帶來損害，因此合理的螺柱預緊力選擇十分重要，較為合理的舵系上舵承預緊力值為200000N～250000N。

4? ? ?結語

針對螺栓預緊力的大小對上舵承本體及止推塊強度影響較大問題，本文使用三維軟件Solidworks/Simulation對分析對象進行建模，并完成不同螺栓預緊力下的上舵承結構強度有限元分析。仿真結果表明，上舵承止推塊的應力并不會隨著螺柱預緊力的增加而持續減小，當螺柱預緊力超過一定值時，止推塊應力減小的幅度很有限，反而過大的預緊力會使舵承本體螺栓孔局部區域存在壓潰的風險。本文根據舵承本體及止推塊應力趨勢，最后確定了適用于2 600TEU集裝箱船舵系上舵承的螺柱預緊力值。

參考文獻

[1]中國船舶工業集團公司，中國船舶重工集團公司，中國造船工程學會.?船舶設計實用手冊[M].北京： 國防工業出版社， 2013.

[2]魏崢，趙功，宋曉明. Solid Works 設計與應用教程[M].北京： 清華大學出版社， 2009.

作者簡介：陳? 壯 （1991-），男，工程師。從事船舶舾裝設計工作。

陳? 路 （1989-），男，工程師。從事船舶電氣設計工作。

收稿日期：2022-06-27