40 600 dwt散货船舵的直接设计

夏小浩, 孙风景

(1.扬帆集团股份有限公司， 浙江 舟山 316100； 2.浙江海洋学院 船舶与海洋工程学院， 浙江 舟山 316004)

40 600 dwt散货船舵的直接设计

夏小浩1, 孙风景2

(1.扬帆集团股份有限公司， 浙江 舟山 316100； 2.浙江海洋学院 船舶与海洋工程学院， 浙江 舟山 316004)

在舵的设计过程中，为了使舵满足规格要求，使舵与船能更好地匹配，采用了直接计算法确定半悬挂平衡舵的构件尺寸，并对其强度进行校核。

半悬挂平衡舵 直接计算法 强度校核

1 前言

船舵的类型按舵的支撑情况可分为双支点舵、半悬舵和悬挂舵；按舵面积和转动轴的相对位置可分为普通舵、平衡舵和半平衡舵。各国船级社对不同舵都规定了详细的相应设计规范，在舵的计算中将舵视为一根简梁，将尾框底骨简化为弹性支座，将舵叶上的舵力转化为均布载荷施加在简梁上。扬帆造船厂设计的40 600 dwt散货船，船长为179.99 m，设计吃水为10.7 m，最大服务航速为14.7 kn，最小服务航速为7.35 kn，满足散货船共同结构规范。本文将针对该型船的双平板半悬挂平衡舵，采用直接计算法对舵进行构件尺寸和强度校核。该舵包括两个舵杆轴承和一个弹性舵销轴承，其模型如图1所示，舵叶剖面为哥丁根翼型如图2所示。

图1 双平板舵

图2 哥丁根翼型舵叶剖面

2 舵叶几何参数和作用在舵叶上力的确定

2.1 舵叶几何参数的确定

根据有切口的舵叶计算规范，相应部分舵叶面积的平均宽度b和平均高度c计算为

式中：x、z为坐标值，单位为m。如图3所示，舵叶面积A应分成两个面积为A1和A2的矩形或梯形，A=A1+A2；A1F，A2F，两部分舵叶面积可由x、z坐标值(见图4)计算得出。At为在平均高度范围内，舵叶面积A和舵柱或挂舵臂面积之和。舵叶各节点坐标值如表1所示，舵叶几何参数记算结果如表2所示。

图3 舵叶面积

图4 舵叶节点坐标

表1 舵叶节点坐标值

表2 舵叶几何参数

2.2 确定舵叶板厚度

舵叶板厚为tF，单位为mm，根据规范舵叶板厚按照下式计算：

式中系数β为

式中：S为舵板格的短边长度；bL为舵板格的长边长度，单位都为m。

舵叶板平面分布如图5所示，各舵叶平面厚度计算结果如图6所示。

图5 舵叶板平面分布

图6 舵叶板厚度值

2.3 舵叶上的力计算

按规范作用在舵叶上的力CR(N)由下式得到：

式中:nR为航区系数,v和系数r1、r2、r3取决于所考虑的情况。作用于A1和A2部分的舵力CR1和CR2分别由下式得到：

船舶在正车和倒车时对应于CR1和CR2的力臂r1和r2由下式来计算：

相应系数α可由规范查得，表3为计算结果。

表3 舵力和相应力臂结果

3 舵杆上的载荷和直径直接计算

3.1 舵杆上的载荷计算

如图7所示，L1、L2、L3、L4为舵叶与舵杆长度；I1、I2为舵结构水平剖面惯性矩；I3为下舵承处舵杆水平剖面惯性矩；I4为下舵承与上舵承间舵杆水平剖面惯性矩。具体参数如下：

L1=4.315 m，L2=3.085 m，

L3=0.229 m，L4=4.163 m；

I1=374 854 cm4，I2=902 356 cm4，

I3=65 597 cm4，I4=82 448 cm4。

图7 舵杆载荷计算模型

根据规范作用在舵杆上的载荷p1,p2应按下式计算：

设A点位移为UA；B点位移为UB、弯矩为MB，剪切力为QR；C点位移为UC、弯矩为MC；D点弯矩为MD。

由D点转角相等得

由C点转角相等得

由B点支持力KUB及均布力p1、p2对点C取矩可得

由B点支持力KUB及均布力p1、p2对点D取矩可得

舵杆三个支点的力分别为FA1、FA2和FA3，则有：

K为挂舵臂的支承弹簧常数，由公式得

式中：Lh为挂舵臂长度；Ih为挂舵臂水平剖面惯性矩；e为舵杆中心线至挂舵臂中心线距离；Aa为挂舵臂的平均截面积；ui为形成挂舵臂平均截面积的各块板的宽度；ti为各块板的宽度范围内相应的厚度。

对应于A1和A2的扭矩MTR1和MTR2分别由下式得到：

正车和倒车时，作用于舵杆上的扭矩，由下式得到：

联合上列各式和规范中的相关公式可求得舵杆上的载荷，如表4所示。

表4 舵杆载荷计算结果

3.2 舵杆直径的确定和强度校核

(1) 下舵承处舵杆直径。

舵杆材料系数K1=0.79，舵柄处舵杆直径：

下舵承处舵杆直径：

其中舵杆扭矩T=MTR，代入数据计算结果如表5所示。

(2) 校核下舵承处的舵杆强度。

正应力：

切应力：

等效应力：

通过计算舵杆各应力值如表6所示。

表5 舵杆直径

表6 舵杆应力值

4 结语

(1) 本船舵采用双平板舵，每个舵叶板厚度都是一致的，根据规范计算得出在靠近尾框底骨的舵叶板厚度最大，为30 mm。

(2) 从舵杆应力计算结果中可以看出σe﹥[σe]，由此表明舵杆不满足规范要求。为了满足规范要求，综合材料等各方面因素最终确定下舵承舵杆直径为340 mm，上舵承舵杆直径为360 mm。

[1] 刘奇龙. 单舵销半悬挂舵载荷计算[J]. 造船技术,2006,01:31-33.

[2] 唐宁生. 舵系的直接计算法[J]. 船舶,2004,03:49-53.

[3] 唐军. 舵杆的直经=f(KS,T,M)[J]. 船舶设计通讯,2002,3:53-61.

[4] 中国船级社.钢制海船入级规范[S]. 2012.

[5] 法国船级社.钢制海船入级规范[S]. 2013.

The Direct Design of Rudder on 40 600 dwt Bulk Carrier

XIA Xiao-hao1， SUN Feng-jing2

(1. Yangfan Group Corporation Limited, Zhoushan Zhejiang 316100, China; 2. School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Zhejiang Ocean University, Zhoushan Zhejiang 316004, China)

In order to meet the specification requirements of rudder and reach a better match of rudder and ship, a direct design of rudder on 40 600 dwt bulk carrier is provided in this article. The scantlings of semi-mounted balanced rudder are determined by direct calculation method, and then the strength is checked.

Semi-mounted balanced rudder Direct calculation method Strength check

夏小浩(1976-)，男，工程师。

U662

A