基于Solidworks的新型半下沉水密上舵承強度分析

摘" " 要：高效舵在保證船舶操縱性之外，具有更小的阻力并能提高船舶推進效率。本文提出一種適用于高效舵系統(tǒng)的半下沉式水密上舵承，使用軟件Solidworks/Simulation對產(chǎn)品進行整機建模及結(jié)構(gòu)強度有限元分析。仿真結(jié)果表明，半下沉式水密上舵承各零部件強度滿足設(shè)計及使用要求，為同類型半下沉式水密上舵承的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計，提供了重要指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：半下沉水密上舵承；有限元分析；Solidworks/Simulation

中圖分類號：U664.4" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標(biāo)識碼：A

Strength Analysis of New Semi-Sunken Watertight Upper Rudder Carrier Based on Solidworks

CHEN Zhuang1，" GAO Peng2，" LI Ming2，" XU Detao1，" ZHAO Wenbin1

（ 1. Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute， Shanghai 201203;" 2. Shanghai Haifeng Ship Management Co.， Ltd.，" Shanghai 201210）

Abstract： Efficient rudder has less resistance and can improve the propulsion efficiency of ships besides ensuring ship maneuverability. This paper proposes a semi-sunken watertight upper rudder carrier suitable for efficient rudder system. Use software Solidworks/Simulation to model the whole machine and analyze the structural strength of the whole machine. The simulation results show that the strength of each part of the new semi-sunken watertight upper rudder carrier meets the design and use requirements. The simulation results provide important guidance for structure lightweight design of the same type of new semi-sunken watertight upper rudder carrier.

Key words： semi-sunken watertight upper rudder carrier;" finite element analysis;" Solidworks/Simulation

1" " 前言

舵系是用于改變或者保持船舶航行方向的重要設(shè)備，主要由舵葉、舵桿、上舵承和下舵承等構(gòu)成。其中，上舵承主要承受作用在舵葉水動力引起的徑向載荷及由舵系重力引起的軸向載荷，是確保舵系安全工作的重要構(gòu)件。

近年來，高效舵越來越受到船東的青睞。目前的高效舵產(chǎn)品，通常是舵葉、舵桿、舵桿套筒、上舵承和下舵承一體設(shè)計、制造和安裝。常規(guī)的國標(biāo)平面摩擦水密上舵承尺寸很大，使用常規(guī)的上舵承往往需要船廠現(xiàn)場鏜孔[1]，如圖1所示。

目前的高效舵通常配下沉式上舵承，下沉式上舵承本體嵌在舵桿套筒中以保證同軸度，對套筒、舵桿、上舵承的安裝精度提出了極高的要求，安裝難度非常高，如圖2所示。

針對這兩種上舵承適配高效舵時存在的問題，上海船舶研究設(shè)計院開發(fā)了一種適用于高效舵系統(tǒng)、安裝維護方便的半下沉式水密上舵承，并使用軟件Solidworks/Simulink對產(chǎn)品整機進行了建模及結(jié)構(gòu)有限元分析[2]，以保證此上舵承在使用過程中的可靠性。

2" " 半下沉式水密上舵承工作原理

半下沉式水密上舵承，其本體內(nèi)側(cè)設(shè)置有襯套承受徑向載荷，本體上端固定有摩擦片及舵承架承受舵系軸向載荷，舵承本體中間凸緣內(nèi)嵌于舵套筒輔助舵承本體定位，舵承本體通過雙頭螺柱固定于舵套筒端部。此上舵承安裝簡單，更換密襯套時只需將舵承本體吊出本體下沉深度，吊出舵承本體拆卸后即可完成襯套更換。半下沉式上舵承安裝布置，如圖3所示。

3" " 半下沉式水密上舵承受力分析

對于帶套筒懸掛舵系，上舵承本體內(nèi)嵌于懸掛舵套筒端部且通過雙頭螺柱緊固于懸掛舵套筒端部，本體外周均勻分布一定數(shù)量的止推塊，止推塊直接焊接在舵機艙甲板上，止推塊及雙頭螺柱承受由于舵葉水動力引起的徑向載荷，內(nèi)嵌于舵桿的上舵承架則用于承受舵系重力。

本文以某1 800 TEU支線集裝箱船高效舵適配的半下沉式水密上舵承為分析對象，其承受由舵系重力引起的軸向載荷及作用在舵葉上水動力引起的徑向載荷B3，如圖4所示。其中，軸向載荷包括舵桿、舵葉、舵葉連接體、舵葉液壓螺母及舵柄等組件的重力，共約50 t；徑向載荷B3根據(jù)船級社規(guī)范計算如下：

B3 =（MB - MB1）/（L20 + L30）" " " " " " " " " " " " " " " （1）

MB = CR2（L10 - CG2Z）" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

MB1 = CR1（CG1Z - L10）" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（3）

式中：CR1—舵葉面積A1內(nèi)的水動力；

CR2—舵葉面積A2內(nèi)的水動力；

L10—下舵承作用中心點到舵葉下底板的垂直距離；

L20—下舵承作用中心點到舵葉上頂板的垂直距離；

L30—上舵承作用中心點到舵葉上頂板的垂直距離；

CG1Z—舵葉面積A1的重心的垂直位置；

CG2Z—舵葉面積A2的重心的垂直位置。

將各參數(shù)值代入公式（1）、（2）、（3）中，可得上舵承徑向載荷B3約為B3 = 455 kN。計算出上舵承所受軸向力值及徑向力值后，對其整機進行三維建模及強度有限元分析。

4" " 半下沉式水密上舵承模型建立

根據(jù)初步設(shè)計參數(shù)，使用軟件Solidworks建立半下沉式水密上舵承主要零部件模型，包括舵承本體、舵承架、摩擦片、襯套、舵承架連接螺栓螺母、舵承本體連接螺栓螺母、舵承本體與套筒端部法蘭連接雙頭螺柱螺母及本體止推塊，為簡化仿真模型，將套筒端部法蘭與舵機艙舵機安裝處局部甲板區(qū)域組合為單一零部件；在上舵承各零部件建模完成后，在Solidworks 中完成半下沉式水密上舵承的裝配，圖5為上舵承三維模型裝配圖。

5" " Solidworks/Simulation有限元分析

裝配模型搭建完成后，使用Soliworks/ Simulation模塊對上舵承整機進行有限元分析：

5.1" "材料屬性設(shè)置

上舵承各部件及套筒法蘭零部件的材料型號及屬性參數(shù)，如表1所示。

5.2" 接觸約束設(shè)置

Solidworks/Simulation 零部件接觸選項用于定義零部件之間相互連接的方式，可選的選項有接合、允許貫通和無穿透。其中：接合為默認(rèn)選項，當(dāng)模型零部件之間接觸面可以合并在一起視為一個整體時，選擇該項；允許貫通，當(dāng)裝配體是由一組獨立零件構(gòu)成，且相互之間沒有結(jié)構(gòu)上的連接時，選擇該項；無穿透，當(dāng)零部件之間接觸面可以相互分離，但不能彼此滲透對方時，選擇該項；在零部件接觸的屬性管理器中，可以設(shè)置接觸面的摩擦因素的大小。

由于本上舵承各零部件之間均有結(jié)構(gòu)上的連接，且彼此不能相互滲透及干涉，所以理論上各零部件間接觸約束應(yīng)設(shè)置為無穿透，考慮到合理的接觸約束設(shè)置可以很大程度的減少仿真時間，提高仿真效率，因此在不影響仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，可以將部分零部件接觸面解除約束設(shè)置為接合選項，所以本上舵承仿真算例的零部件接觸約束設(shè)置為：上舵承裝配體全局，接觸為接合；需特別分析接觸面及影響仿真結(jié)果的接觸面，設(shè)置為無穿透，如上舵承本體與舵機艙甲板接觸面、上舵承本體與止推塊接觸面、止推塊與止推座接觸面、上舵承本體兩半體接觸面、上舵承架兩半體接觸面、螺栓及螺母與其固定件的接觸面等。

5.3" "夾具設(shè)置

根據(jù)上舵承實船安裝及焊接固定情況，設(shè)置上舵承裝配體固定面為止推座底部焊接面及套筒法蘭與舵機艙甲板焊接面。

5.4" "外部載荷設(shè)置

根據(jù)上舵承的實船受力，分別設(shè)置作用在舵承架局部環(huán)形區(qū)域上的舵系重力、作用在襯套上部區(qū)域的徑向載荷（考慮安全余量安全系數(shù)設(shè)定為2）、舵承架連接螺栓和本體連接螺栓的預(yù)緊力、雙頭螺柱的預(yù)緊力及模型整體重力參數(shù)。

5.5" "網(wǎng)格設(shè)置

模型網(wǎng)格數(shù)量直接決定了仿真精度度及仿真時間，較多的網(wǎng)格會得到較高的仿真精度，但同時也會增加仿真時間，因此根據(jù)模型零部件尺寸大小及接觸面關(guān)鍵程度，對裝配體模型進行特定網(wǎng)格劃分是比較好的選擇：本裝配體模型對襯套、摩擦片、連接螺栓及螺母、固定螺柱及螺母、止推塊楔塊、舵承本體與楔塊接觸面，進行了較細(xì)的網(wǎng)格劃分；對舵承架、舵承本體主體、止推座及套筒法蘭根據(jù)零部件尺寸，做了相對粗糙的網(wǎng)格劃分。整個裝配體模型網(wǎng)格單元總數(shù)控制在15～20萬之間，如圖6所示。

5.6" "仿真結(jié)果分析

設(shè)置靜應(yīng)力類型及仿真算例解算器類型等參數(shù)，啟動仿真程序，上舵承整機應(yīng)力有限元分析結(jié)果，如圖7所示。

由圖7應(yīng)力云圖可知：上舵承裝配體整機應(yīng)力大值集中在雙頭螺柱螺母處，應(yīng)力最大值約為310 MPa；對裝配體重要零部件應(yīng)力數(shù)據(jù)單獨分析，以進一步分析并優(yōu)化上舵承各零部件，結(jié)果如下：

1）舵承本體應(yīng)力有限元結(jié)果，如圖8、圖9所示。由圖8、圖9可知，受徑向載荷作用一側(cè)，舵承本體應(yīng)力較另一側(cè)舵承本體應(yīng)力大，應(yīng)力主要集中于雙頭螺柱通孔周邊，最大值約為213 MPa，即舵承本體強度滿足使用要求；

2）舵承架應(yīng)力有限元結(jié)果，如圖10、圖11所示。舵承架主要承受舵系重力，由圖10、圖11可知，舵承架應(yīng)力集中于連接螺栓通孔區(qū)域，最大值約為114 MPa，即舵承架強度滿足使用要求；

3）襯套應(yīng)力有限元結(jié)果，如圖12所示。考慮到實際工況下襯套的受力特點，將徑向載荷施加于襯套上端局部區(qū)域，由圖12可知，襯套應(yīng)力主要集中于縱向、橫向潤滑槽周邊，最大值約為38 MPa，即襯套強度滿足使用要求。

4）止推塊應(yīng)力有限元結(jié)果，如圖13所示。由圖13可知。受徑向載荷作用一側(cè)止推塊應(yīng)力較另一側(cè)止推塊應(yīng)力大，應(yīng)力主要集中于楔塊于舵承本體接觸面，最大值約為179 MPa，即止推塊強度滿足使用要求；

5）套筒法蘭應(yīng)力有限元結(jié)果，如圖14所示。由圖14可知，法蘭端面應(yīng)力主要集中于止推塊固定處，最大值約為71 MPa，即套筒法蘭強度滿足使用要求；

6）雙頭螺柱應(yīng)力有限元結(jié)果，如圖15所示。由圖15可知，與徑向載荷方向相反的雙頭螺柱由于受到傾覆力矩作用，應(yīng)力較為集中，最大值約為165 MPa，即雙頭螺柱強度滿足使用要求。

6" " 結(jié)語

針對傳統(tǒng)上舵承及全下沉式上舵承適配高效舵時存在的安裝維護、成本控制等問題，本文提出了一種成本低、安裝維護方便的半下沉式水密上舵承，并使用三維軟件Solidworks/Simulation對產(chǎn)品進行了整機建模及結(jié)構(gòu)強度有限元分析。仿真結(jié)果表明，此半下沉式水密上舵承各零部件強度滿足使用要求。為進一步優(yōu)化設(shè)計，下一步的工作重點將圍繞不同螺栓預(yù)緊力對上舵承強度的影響及上舵承整體輕量化設(shè)計等方面展開。

參考文獻

[1]中國造船工程學(xué)會，中國船舶工業(yè)集團公司，中國船舶重工集團公司. 船舶設(shè)計實用手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社， 2013.

[2]魏崢，趙功，宋曉明. Solid Works 設(shè)計與應(yīng)用教程[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，" 2009.