基于有限元方法的船舶主推进器区域结构强度分析

朱永凯

（中海油能源发展采油服务公司，天津 300452）

基于有限元方法的船舶主推进器区域结构强度分析

朱永凯

（中海油能源发展采油服务公司，天津 300452）

随着国内运输船日趋大型化、高速化，大型双桨双舵船舶的应用越来越广泛。本文分析双桨双舵船舶的特点，提出适合国内建造大型双桨双舵船舶主推进区域结构强度分析方法。在推进器不同推进角度和推进速度情况下，推进器所受的力进行有限元分析，对推进器区域船体外板、各层平台及肋骨等强力构件的受力进行研究，并与船级社规范对比研究，保证船体的基本构件稳定性和刚度上的要求从而为我国大型双桨双舵船舶的建造提供一些可行性的思路。

结构强度分析；主推进区域；有限元

0　引　言

随着航运业的发展，过去主要用于军用舰船的双桨双舵船舶得到越来越广泛的应用［1］，特别是在大型LNG 运输船中开始大量应用。大型船舶配备双桨双舵，可以使其具有更加灵活自主的操纵性能，并可实现安全、高效和节能等目的。在对船舶经济性和安全性要求不断提高的现代社会，双桨双舵船舶的应用领域将会不断扩大。因此，对双桨双舵船舶建造技术的研究，将具有重要的理论和工程意义。

随着结构应力分析理论和实验技术的发展，船体结构设计和材料使用的日趋经济合理［2］，船体结构在极端条件下的强度问题就日益突出起来，这已经成为国际船舶结构力学领域近期的一个热点研究课题。目前，极限强度计算方法大致有简化计算方法、直接计算方法、有限元方法的几种。简化计算方法虽然计算速度快，使用方便，但由于过多简化而显得精度不够。有限元方法［3-4］是解决复杂工程结构问题的强有力工具，在结构非线性分析中，大型有限元程序如 PATRAN，NASTRAN，DYTRAN，MARC，Ansys和ADINA 等发挥着越来越重要的作用，利用它们同时考虑几何和材料的非线性，可得到船体结构的极限强度值。

1　有限元计算模型

以国内首制 3 万方 LNG 运输船主推进区域船体结构进行强度计算［5］，船舶主尺度见表1。由于本船采用双轴系，左右对称布置。因此，计算模型的范围为沿船纵向从船尾到 10 号肋位，沿船宽方向从左舷舷侧到中纵剖面，沿垂向自船底向上至 12 500 平台。

表1　3 万方 LNG 运输船主尺度Tab. 1　PRINCIPAL PARTICULARS

1.1计算模型

有限元计算应用 MSC 公司有限元计算软件MSC.PATRAN&NASTRAN 完成。

有限元模型包括了主推进器区域结构的主要构件，如外板、平台板、舱壁、桁材等［6-7］。计算模型的外板、平台板、舱壁板及桁材腹板等主要构件均模拟为4节点或3节点板单元，外板横骨、平台纵骨、舱壁扶强材、桁材面板以及支柱等次要构件均模拟为2节点梁单元。

有限元模型建立在 XYZ 右手笛卡尔坐标系统，坐标原点位于 FR0 横剖面和B.L. 的交点处，坐标轴的方向如下：X 轴指向船首；Y 轴沿船宽方向指向左舷；Z轴由船底垂直指向甲板。

有限元网格按照肋距和骨材间距进行尺度划分。有限元模型如图1所示。

图1　有限元模型概貌Fig. 1　The finite element model

1.2构件尺寸和材料特性

三维有限元模型中的构件尺寸源于船体分段结构图，模型中构件采用建造厚度。

船体钢材的物理参数为下：杨氏模量 E=2.06 × 105N/mm2，泊松比 μ=0.3，密度 ρ=7.85 × 10-9t/mm3。

1.3边界条件

有限元模型的边界条件［8］取法如下所述：

对于 FR10 横剖面上所有节点，约束 X，Y，Z 三方向线位移；

对于 12 500 平台上所有节点，约束 X，Y，Z 三方向线位移；

对于船中纵剖面的横舱壁截面上的节点，约束Y，Z 方向线位移和X 方向角位移；

对于船中纵剖面的平台截面上的节点，约束 X，Y方向线位移和Z方向角位移；对于船中纵剖面的外板截面上的节点，约束 X，Y 方向线位移和Z方向角位移。

有限元模型的边界条件如图2所示。

图2　有限元模型边界条件Fig. 2　FEM Boundary condition

2　计算载荷及计算工况

计算工况根据舵螺推进器的转角来选取。

工况 1：舵桨推进器向左舷旋转 35°；

工况 2：舵桨推进器向左舷旋转 15°；

工况 3：舵桨推进器转角为0°；

工况 4：舵桨推进器向右舷旋转 15°；

工况 5：舵桨推进器向右舷旋转 35°；

对于每一个工况，计算载荷由以下几部分组成：

1）舵桨推进装置的重量约为111 t；

2）船体运动的垂向加速度约为5.977 m/s2，根据ABS《Rules For Building and classing steel vessels 2012》的计算方法得出（见表2）。

表2　垂向加速度计算结果Tab. 2　Vertical acceleration calculation

表中：V 为最大服务航速，kn；V1为航速，kn；Tsc为结构吃水，m；TLC为吃水，m；Cb为方形系数；x 为船长方向坐标，m；y 为船宽方向坐标，m；Uroll为横摇周期，s；θ为横摇角，rads；Upitch为纵摇周期，s；φ 为纵摇角，rads；av为垂向加速度，m/s2。

3）推进器所受的水动力由设备厂商提供，由于其未考虑波浪与船体运动的影响，本计算对其取安全系数 1.5（见表3和图3）。

表3　推进器所受水动力Tab. 3　Hydrodynamic force

图3　计算载荷示意图Fig. 3　Hydrodynamic force

载荷以集中力的方式施加到模型上，并通过 MPC传递到单元网格上，如图4所示。

图4　载荷施加示意图Fig. 4　Loads in F.E. model in loadcase

3　强度准则

参照ABS《Rules for building and classing steel vessels 2012》中有关吊舱推进设备支承结构主要构件许用应力的相关规定，船体结构强度直接计算的衡准如下：

许用正应力：［σ］=0.59σFN/mm2；

许用剪应力：［τ］=0.44σFN/mm2；

许用相当应力：［σe］=0.85σFN/mm2；

应力集中处许用相当应力：［σepeak］=σFN/mm2

材质为普通强度钢，σF取 235 N/mm2，许用应力如表4所示。

表4　许用应力Tab. 4　Permissible Stress Values

4　计算结果

各计算工况下船体结构中主要结构的单元平均应力最大值如表5所示。

表5　主要构件最大应力Tab. 5　Maximum average element stresses in main structural members

表中：σx和σy为板单元在 X，Y 方向上正应力，“+”为拉应力，“-”为压应力；τxy为板单元剪应力；σe为板单元 Von Mises 应力，σe=（σx2+ σy2-σxσy+ 3τxy2）1/2。

工况 3 条件下船体结构变形如图5所示。本节所示的应力分布图表示的是模型在计算工况中的相当应力分布，图中所示应力的单位为N/mm2。

各计算工况下船体结构应力如图5～图10所示。本节所示的应力分布图表示的是模型在计算工况中的相当应力分布，图中所示应力的单位为N/mm2。

图5　结构变形图（工况 3）Fig. 5　Displacements of structures at Load case 3

图6　外板相当应力分布图（工况 1）Fig. 6　Von Mises stress of shell plate

图7　距基线 9 000 mm 平台板相当应力分布图（工况 5）Fig. 7　Von Mises stress of Platform

图8　连接肘板相当应力分布图（工况 2）Fig. 8　Von Mises stress of radial girders

图9　船底纵桁与肋板相当应力分布图（工况 1）Fig. 9　Von Mises stress girders and floors

图10　其他构件相当应力分布图（工况 5）Fig. 10　Von Mises stress of others

5　结　语

通过对 3 万方 LNG 运输船推进其区域进行有限元分析，可以得到主要构件的应力分布图，并得到以下结论：

1）主要支撑结构构件的应力值均不超过许用应力范围，满足强度要求。

2）高应力集中位于 10 号肋位横舱壁处，设计应根据计算结果对该区域进行加强。

3）本文利用有限元软件进行推进器区域强度分析，提出一种对船体局部结构强度计算的有效方法。

［1］陆国强， 贺迎宾， 曲道龙. 双桨双舵船舶建造技术研究［J］. 中国机械， 2011（22）： 65-66.

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Main propulsion regional structure strength analysis base on finite element method

ZHU Yong-kai
（CNOOC Energy Technology and Services-Oil Production Services Co.， Tianjin 300452， China）

With the increasingly wide application of the large domestic carrier， high speed， large ship twin rudder paddle is application more and more widely， we analyze the characteristics of twin rudder paddle ship. Based on it， this paper proposes the structure strength analysis method of main propulsion area for building the large twin rudder paddle. Under the different angle and velocity of propeller propulsion， we analyze the propeller force with finite element method， including the stress of the propeller area outside the hull plate， the layers of the stress of the platform and frame strength member. We also compare result with classification society rule， in order to ensure the stability and the stiffness on the hull of the basic building blocks， and provide some feasible ideas for constructing large twin rudder paddle ships of our country.

structure strength analysis；propulsion regional；finite element method

U661.31+3

A

1672-7619（2016）09-0074-04

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.09.014

2016-12-04；

2016-05-25

朱永凯（1982-），男，工程师，主要从事船舶与海洋结构物设计、建造及管理。