某破冰船调距机构有限元强度计算

刘爱兵，周林慧，刘莉莉，田忠殿

（上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

随着不可替代能源的日趋枯竭，极地丰富的石油、天然气、渔业等资源陆续被发现，以及极地在军事上的战略意义，各国对极地的科学研究和开发日趋重视和活跃。在此形势下，破冰船自然成为在充满浮冰的极地从事此类活动的重要工具和运输载体[1-2]。

调距桨可以为船舶提供良好的操纵性和较大推力，因此很多冰区航行船舶和破冰船都采用了调距桨[3]。目前，调距机构强度设计主要是参照船级社规范，DNV GL船级社经过多年的研究积累，发展出较完善的冰区调距机构强度计算方法，并包含到其规范中[4-5]。本文根据DNV GL极地冰区强度计算规范，采用有限元方法计算了在桨叶失效冰载作用下按极地冰区PC-5级强度设计的某破冰船调距机构的强度。

1 桨叶失效冰载计算

DNV GL规范要求调距机构必须满足“金子塔强度设计原则”，即在桨叶失效载荷作用下不能导致调距机构的失效。这就要求调距机构中的名义等效应力不能超过部件材料的最小屈服强度，即调距机构的强度安全系数不小于1.0。

桨叶失效载荷 Fex是指引起桨叶塑性弯曲的极限载荷，该载荷可以由式（1）计算。

式中：c、t、r分别为桨叶根部弦长、厚度和半径；D为螺旋桨直径；为参考应力。

2 网格划分和载荷施加

调距机构强度计算采用有限元方法，在调距机构三维建模上划分有限元网格。考虑到计算时间及精度，网格在应力梯度较大的倒圆区域进行了加密，应力梯度较小的区域网格较稀疏。接触面之间采用映射网格以保证接触面的配合[6]。对于油润滑接触面，取摩擦系数为0.1。网格包含约16万个10节点的四面体单元和20节点的六面体单元，总共约25万个节点。调距机构网格划分如图1所示。

图1 调距机构网格划分

将失效载荷施加在桨叶 0.8R（R为桨叶半径）偏离转叶轴一定距离处，该距离为转叶轴至导边或随边距离的1/3，垂直于桨叶弦线。因此桨叶失效载荷施加分为两个工况，见表1（桨叶位于70%设计螺距位置），载荷施加如图2所示。在推拉杆的端部设置为固定约束。

表1 失效载荷施加位置

图2 失效载荷施加示意图

3 强度仿真结果

图3为两种载荷施加工况下叶根螺钉的Von Mises等效应力云图，叶根螺钉的预应力为553 MPa。由图3可见，两种工况下，叶根螺钉最大应力差异较大，这是由于工况1的载荷作用在导边，使得螺钉的载荷分布很不均匀，距离施加载荷更近的螺钉承受了更多的载荷。并且，桨叶吸力面靠近导边的螺钉应力较其余两个螺钉应力大，超过了螺钉材料屈服极限 850 MPa。而按照DNV GL规范公式计算结果螺钉应力为750 MPa。由于桨叶失效载荷计算公式是基于DNV GL规范的，因此规范公式计算结果是更合理的。有限元计算则可以给出螺钉应力分布情况，因此规范计算和有限元计算应结合起来进行分析。

图3 叶根螺钉等效应力

对于叶根销，由于工况 2桨叶失效载荷产生的转叶力矩大较工况 1大，而且叶根销位于桨叶法兰靠近随边处，因此工况2时叶根销的应力比工况1大。图4给出了工况 2叶根销等效应力云图和切应力云图，最大应力均小于材料的屈服强度 850 MPa，因而是满足DNV GL规范要求的。

图4 工况2时叶根销应力云图

DNV GL规范中没有桨壳体强度计算的简易公式，只能采用有限元方法进行计算。图5是工况1有限元计算给出的桨壳体等效应力云图，在向后的桨叶失效载荷作用下，桨壳体平面轴承上出现了超过材料屈服强度280 MPa的区域（靠近桨叶吸力面的红色区域），但是该区域很小，不会对桨壳体造成损伤或有害变形，因而桨壳体强度是可以接受的。

图5 桨壳体等效应力（工况1），最大应力650 MPa

与桨壳体类似，在桨叶失效载荷工况 1作用下，曲柄盘倒圆靠近桨叶吸力面的部分区域，曲柄销倒圆，滑槽壁（正车）倒圆处，以及滑块部分区域的等效应力超过了材料的屈服强度，而由应力云图（图6～图9）可以看出，该区域（红色区域）很小，仅局限于靠近表面的区域，因而不至于产生危害，对部件的功能不会产生影响。

图6 曲柄盘等效应力（工况1），最大应力1 125 MPa

图7 曲柄销等效应力（工况1），最大应力1 125 MPa

图8 滑槽等效应力（工况1），最大应力800 MPa

图9 滑块等效应力（工况1），最大应力500 MPa

从推拉杆的等效应力云图（图10）可以看出，最大等效应力出现在推拉杆根部倒圆处为 394 MPa，没有超过材料屈服强度 450 MPa，因此桨叶失效载荷不会导致推拉杆损伤，其强度完全满足DNV GL规范要求。

图10 推拉杆等效应力（工况1），最大应力394 MPa

4 结论

针对某极地冰区PC-5级强度设计的破冰船调距装置，根据DNV GL规范采用有限元仿真方法对调距机构在桨叶失效载荷作用下的强度进行了计算，并给出了各部件的等效应力云图，计算方法和结果可为冰区调距机构强度设计提供参考，本文有限元计算的结论如下：

1）根据有限元计算结果，桨叶吸力面靠近导边的螺钉应力较大，超过了材料的屈服强度，但是按DNV GL规范计算公式该螺钉满足要求，考虑到桨叶失效载荷是基于DNV GL规范公式的，因此认为叶根螺钉强度满足要求。

2）桨壳体平面轴承部分区域、曲柄盘倒圆、曲柄销根部倒圆、滑槽根部倒圆和滑块部分区域的等效应力大于材料屈服强度，但该区域都很小仅限于部件表面，不会影响结构的功能性，因而强度可以接受，但设计时应重视并尽量改善该区域的应力集中。