论文部分内容阅读
摘 要：介绍了船舶吊舱式推进器的性能优点，吊舱推进器支撑结构设计校核的难点，给出吊舱支撑结构设计和校核的指导思路。结合一艘4000t级船舶，提出吊舱支撑结构设计的具体实施方法，并采用有限元分析方法，对设计的吊舱支撑结构结构进行校核，验证设计的合理性，为同类吊舱支撑结构的设计、校核及进一步优化提供指导。
关键词：船舶吊舱推进;支撑结构;有限元方法
中图分类号：U663.7 文献标识码：A
Abstract： The performance advantage of the pod propeller are described， and the difficulty in design and check of the pod propeller supporting structure is introduced. The guidance of the design and check of the POD propeller supporting structure is provided. Combined with a 4000t-class vessel， a detailed description of the design of the pod propeller supporting structure is put forward， a finite element analysis method is adopted to check the designed supporting structure and the rationality of the design is verified， and the guidance for the design， check and further optimization of the similar pod propeller support structure is provided.
Key words： Pod propeller of ship; Supporting structure; Finite element analysis
1 引言
船用吊舱式推进器突破了传统“柴油机加开放式传动轴系”的推进器设计形式[1]，将推进电机和螺旋桨共轴制成独立的推进模块安装于船尾部，其推进电机和螺旋桨直接连接，组成独立的推进模块（见图1），并安装于船体底部的流线型吊舱器内[2]。该推进模块（吊舱）不仅可以行使推进功能，而且可以通过控制旋转角度实现对推进方向的控制，替代通常使用的舵和轴系，极大地提高了船舶设计、建造及操控使用的灵活性。基于上述优点，近年来吊舱式推进器越来越受到青睐，而其支撑结构的设计成为影响其应用的重点问题。
船用吊舱式推进器一般安装于尾舱底板的两舷，由于其运转时受力较大且复杂，运行精度要求较高，因此对安装处的结构有较高的强度、刚度及空间要求[5]。为此，安装区的支撑结构需作特殊加强，而尾舱两舷的空间一般较为狭小，故对支撑结构的型式有较高要求;此外，船用吊舱的支撑结构设计还需综合考虑结构施工的工艺性等问题。
如何结合吊舱受力特点，充分利用原有船体结构，设计出满足强度、刚度、使用要求、轻量、简洁的吊舱支撑结构，是本文研究的重点内容。
2 船用吊舱支撑结构设计
船用吊舱支撑结构设计的目标是：满足吊舱推进器运转时的强度及刚度要求，满足施工及维护要求，尽可能减少占用空间、减轻结构重量、节约总体资源。为达到上述目标，采用能够有效的传递载荷、结构稳定简洁的辐射型支撑结构型式。具体设计思路为：根据船用吊舱式推进器的安装面确定设备安装位置，再结合吊舱式推进器所处舱室的实际空间和原船体构件分布情况，确定支撑结构加强范围;在吊舱式推进器上部设置环形基座，包括基座腹板、基座面板，将环形基座腹板牢固地焊接在船底板上;选取支撑结构加强范围内的吊舱式推进器环形基座外侧适当距离的原船体强构件，如龙骨、肋板或舱壁作为主框架，以环形基座中心为圆点向周围主框架设置辐射形肘板，以便基座上的受力向主框架上有效传递;辐射形肘板在主框架外与原船体构件形成连续结构，使应力分布更均匀;辐射肘板与环形基座面板采用圆弧过渡并牢固焊接，增加支撑结构的整体刚度。必要时对支撑结构加强范围内的原船体构件采取加厚及加固等措施予以加强;为满足施工及维护要求，应尽量均匀布置辐射肘板，合理选取肘板面板宽度，避免与原船体构件形成狭小空间。
现介绍一例4 000 t级船舶吊舱推进支撑结构的具体设计方法：目标船吊舱功率1600 kW、环形基座腹板直径2 060 mm、环形基座腹板板厚34 mm、环形基座面板板厚80 mm;原船船底結构为横骨架式，每600 mm设置实肋板、每2000 mm间距设置龙骨;根据吊舱安装位置，选取距中1500 mm纵舱壁、距中6000mm旁内龙骨、FR3、FR9实肋板作为吊舱支撑结构的主框架，左右舷的实肋板过渡加厚至30 mm与环形基座腹板连接兼做辐射支撑肘板，面板过渡加厚至32 mm与环形基座面板连接;由吊舱环形基座面板中心向船首及船尾方向设置30 mm的辐射支撑肘板及32 mm的面板，在主框架外设置短龙骨继续向首尾主横舱壁延伸;各支撑肘板及相应面板端部均设置圆弧过渡区;船体外板由原12 mm加厚至16 mm，加厚范围选取主框架以外200 mm范围。吊舱支撑结构形式，见图2。 由图2可以看出，本文设计的吊舱支撑结构充分利用原有船舶构件，结构完整连续，构件分布均匀，可保证施工及维护空间要求，具有良好的工艺性。
3 船用吊舱支撑结构校核
由于吊舱支撑结构无统一标准化设计及校核方法，因此需采用直接计算方法校核其强度、刚度是否满足要求。下面结合上述4 000 t级船舶的吊舱支撑结构设计实例，采用有限元仿真方法对吊舱支撑结构进行强度及刚度校核。
3.1 有限元模型
参考CCS《钢制海船入级规范》第2篇第3章第7节甲板设备支撑结构直接计算的相关要求，为了更真实地模拟吊舱基座周围力的传递对基座的影响以及基座随船尾的整体变形情况，建模范围取整个吊舱舱段从主甲板至船底板所有结构[6]。
有限元模型采用右手坐标系：原点设于尾垂线和基线相交处;x轴为沿船长方向向船首方向为正;y轴为沿水平方向向左舷为正;z轴为垂向由原点向上为正。
根据结构的实际受力状态，将吊舱各类结构用以下单元类型模拟[7]：
板壳元（四节点，shell181）：甲板、外板、纵舱壁及横舱壁、基座及其面板、肋板、纵桁及强横梁腹板等;
梁元（三节点，beam 189）：板材上的纵横骨材、肋板上的面板、纵横舱壁上扶强材、支柱等;
MPC单元：主从自由度用以加载集中外载，将法兰盘安装面上的各个节点耦合于法兰盘安装面的中心上。
模型的网格尺寸最大为300 mm，共包含19353个shell单元、6 906个beam单元及2个MPC单元。
根据所选材料：屈服极限为235 Mpa;材料参数为E=2.01×1 011 pa;μ=0.3;ρ=7 850 kg/m3。
吊艙舱段及支撑结构的有限元模型，如图3、图4所示。
3.2 边界条件
参考CCS《钢制海船入级规范》第2篇第3章第7节甲板设备支撑结构直接计算的边界条件相关要求，应在主要支撑结构处设置位移约束。因此将吊舱舱段首端的主横舱壁与外板及甲板相交处的节点做简支约束。
3.3 载荷
根据设备资料，吊舱产生的载荷合成后为：重力342 kN、径向螺旋桨产生的拉力589 kN、倾斜力矩1456 kN·m、转舵时产生的水平力矩443 kN·m。由于吊舱可360 °旋转，因此选取0、±45°、±90°、±135°及180°方向推进共8种计算工况，各工况载荷换算值如表1所示。
在具体施加载荷时，在吊舱环形基座的安装面上建立刚性域，将环形基座上各个节点耦合于环形基座安装面中心的节点上，将载荷施加于中心节点上。载荷施加示意图，如图5所示。
3.4 校核衡准
由于吊舱推进器与船体外板间的距离、角度等对推进器周围流场有巨大影响，影响推进器的推进效率。若吊舱推进器支撑结构在推进器运行过程中发生过大的相对变形，将导致推进器与船体外板间的距离、角度偏离设计值，从而降低推进效率甚至产生安全隐患。因此，不同于其他以强度校核为主要指标的支撑结构，吊舱推进器支撑结构的主要设计指标还应满足严苛的刚度要求。参考CCS《钢制海船入级规范》第2篇第3章第7节甲板设备支撑结构直接计算的许用应力相关要求，吊舱支撑结构校核衡准取为：基座区域允许最大相对变形（即法兰盘安装面与相邻区域原船体外板间的相对变形）为1 mm;合成应力的许用值为235 Mpa。
3.5 计算结果
通过仿真计算分析，可得到吊舱推进器各角度运转时支撑结构的合成应力结果、法兰盘安装面节点的位移及计算得出的最大相对位移数值，如表2所列。
由表2所列结果及位移云图（略）可知：吊舱在各工况推进时，吊舱推进器支撑结构上的最大应力均出现在与吊舱推进器基座腹板相连的外板上;最大相对变形均出现在吊舱推进器基座的面板上;各工况下应力及变形数值均小于相应限值，即吊舱推进器支撑结构的强度及刚度均满足相关校核衡准要求。
在满足强度及刚度要求基础上，为减轻重量进一步对支撑结构各构件的布置及尺寸选取进行对比分析，得到支撑结构各部件的合理布置范围及规格区间如下：吊舱支撑结构加强范围以距吊舱推进器环形基座中心2.5～3.0倍吊舱环形基座直径距离为宜;主框架选取在距吊舱式推进器环形基座中心2.0～2.5倍吊舱环形基座直径距离为宜;辐射肘板间距以1.0～1.5倍肋距为宜;肘板腹板板厚一般不小于环形基座腹板的0.8倍、面板板厚一般取腹板厚度加2 mm以上;支撑结构加强范围内的桁材、肋板等构件宜加厚至与辐射肘板等厚;基座附近的外板应较原外板增厚约0.4倍为宜;增厚范围以吊舱在外板开口直径的1.5～2.0倍为宜。以此形成一个满足船用吊舱安装和使用要求且轻量化的吊舱支撑结构。
4 结语
船用吊舱推进器支撑结构设计是吊舱应用的关键技术之一。为设计出能满足设备强度及刚度要求，同时保证施工及维护空间要求及重量轻，结构简洁的吊舱支撑结构，应遵循以下设计原则：（1）合理选取支撑结构加强范围，最大限度节省空间资源;（2）采取辐射型结构型式，加强构件布置应尽量均匀;（3）利用强构件形成主框架，增加支撑结构整体强度及刚度;（4）保证构件连续性，主要构件尽量向首尾主横舱壁处延伸;（5）所有构件应合理过渡，避免结构突变造成应力集中;（6）必要时对支撑结构加强范围内的原船体构件采取加厚及加固等措施予以加强;（7）合理选取支撑结构构件尺寸，尽量控制支撑结构重量;（8）合理选取构件面板宽度，避免形成狭小空间影响设备施工及维护;（9）充分利用原船体构件，节约总体资源。
由上述仿真计算校核结果可知，依据本文设计指导原则设计的吊舱式推进器支撑结构合理有效：辐射式支撑肘板能够有效地向各个方向传递吊舱式推进器不同角度操纵时的受力;辐射肘板与基座间的圆弧过渡连接减小了局部应力集中;辐射肘板在主框架之外延续与原有船体主要构件连接，减小了结构突变，使得整个吊舱支撑结构范围内应力较小且分布较均匀;连续、封闭的主框架牢固而稳定，有效的限制了结构及设备变形，满足设备运行时严苛的刚度要求。
现行规范尚未有关于吊舱式推进器支撑结构的完整的校核方法及衡准。本文从设备使用要求出发，给出了吊舱支撑结构校核的思路，采用有限元仿真分析方法，直观的展示了吊舱推进器支撑结构的应力和变形分布。本文提供的仿真模型模拟原则、计算工况的简化和选取、约束的选取、校核衡准的选取等，对同类船舶吊舱推进器支撑结构的校核及进一步优化设计具有较好的指导意义。
参考文献
[1]马驰，张旭，钱正芳等. POD 推进器技术发展及其应用前景[J].船舶工程，2007（6）：25-29.
[2] 咸屹，聂文天. 吊舱式全回转电力推进器的现状及展望[J].江苏船舶，2007（6）：28-29.
[3]邵赟，黄磊.“科学号”科学考察船吊舱式电力推进系统关键技术[J].船海工程，2015.
[4] 高海波，高孝洪，陈辉等. 吊舱式电力推进装置的发展及应用[J].武汉理工大学学报，2006（1）：77-79.
[5] 高宜朋，曾凡明，张晓峰. 吊舱推进器在舰船推进系统中的发展现状及关键技术分析[J].中国舰船研究，2011（1）：90-96.
[6]中国船级社. 钢质海船入级与建造规范[M].北京：人民交通出版，2018.
[7]刘笑天. ANSYS Workbench结构工程高级应用[M].北京：中国水利水电出版社，2015.
关键词：船舶吊舱推进;支撑结构;有限元方法
中图分类号：U663.7 文献标识码：A
Abstract： The performance advantage of the pod propeller are described， and the difficulty in design and check of the pod propeller supporting structure is introduced. The guidance of the design and check of the POD propeller supporting structure is provided. Combined with a 4000t-class vessel， a detailed description of the design of the pod propeller supporting structure is put forward， a finite element analysis method is adopted to check the designed supporting structure and the rationality of the design is verified， and the guidance for the design， check and further optimization of the similar pod propeller support structure is provided.
Key words： Pod propeller of ship; Supporting structure; Finite element analysis
1 引言
船用吊舱式推进器突破了传统“柴油机加开放式传动轴系”的推进器设计形式[1]，将推进电机和螺旋桨共轴制成独立的推进模块安装于船尾部，其推进电机和螺旋桨直接连接，组成独立的推进模块（见图1），并安装于船体底部的流线型吊舱器内[2]。该推进模块（吊舱）不仅可以行使推进功能，而且可以通过控制旋转角度实现对推进方向的控制，替代通常使用的舵和轴系，极大地提高了船舶设计、建造及操控使用的灵活性。基于上述优点，近年来吊舱式推进器越来越受到青睐，而其支撑结构的设计成为影响其应用的重点问题。
船用吊舱式推进器一般安装于尾舱底板的两舷，由于其运转时受力较大且复杂，运行精度要求较高，因此对安装处的结构有较高的强度、刚度及空间要求[5]。为此，安装区的支撑结构需作特殊加强，而尾舱两舷的空间一般较为狭小，故对支撑结构的型式有较高要求;此外，船用吊舱的支撑结构设计还需综合考虑结构施工的工艺性等问题。
如何结合吊舱受力特点，充分利用原有船体结构，设计出满足强度、刚度、使用要求、轻量、简洁的吊舱支撑结构，是本文研究的重点内容。
2 船用吊舱支撑结构设计
船用吊舱支撑结构设计的目标是：满足吊舱推进器运转时的强度及刚度要求，满足施工及维护要求，尽可能减少占用空间、减轻结构重量、节约总体资源。为达到上述目标，采用能够有效的传递载荷、结构稳定简洁的辐射型支撑结构型式。具体设计思路为：根据船用吊舱式推进器的安装面确定设备安装位置，再结合吊舱式推进器所处舱室的实际空间和原船体构件分布情况，确定支撑结构加强范围;在吊舱式推进器上部设置环形基座，包括基座腹板、基座面板，将环形基座腹板牢固地焊接在船底板上;选取支撑结构加强范围内的吊舱式推进器环形基座外侧适当距离的原船体强构件，如龙骨、肋板或舱壁作为主框架，以环形基座中心为圆点向周围主框架设置辐射形肘板，以便基座上的受力向主框架上有效传递;辐射形肘板在主框架外与原船体构件形成连续结构，使应力分布更均匀;辐射肘板与环形基座面板采用圆弧过渡并牢固焊接，增加支撑结构的整体刚度。必要时对支撑结构加强范围内的原船体构件采取加厚及加固等措施予以加强;为满足施工及维护要求，应尽量均匀布置辐射肘板，合理选取肘板面板宽度，避免与原船体构件形成狭小空间。
现介绍一例4 000 t级船舶吊舱推进支撑结构的具体设计方法：目标船吊舱功率1600 kW、环形基座腹板直径2 060 mm、环形基座腹板板厚34 mm、环形基座面板板厚80 mm;原船船底結构为横骨架式，每600 mm设置实肋板、每2000 mm间距设置龙骨;根据吊舱安装位置，选取距中1500 mm纵舱壁、距中6000mm旁内龙骨、FR3、FR9实肋板作为吊舱支撑结构的主框架，左右舷的实肋板过渡加厚至30 mm与环形基座腹板连接兼做辐射支撑肘板，面板过渡加厚至32 mm与环形基座面板连接;由吊舱环形基座面板中心向船首及船尾方向设置30 mm的辐射支撑肘板及32 mm的面板，在主框架外设置短龙骨继续向首尾主横舱壁延伸;各支撑肘板及相应面板端部均设置圆弧过渡区;船体外板由原12 mm加厚至16 mm，加厚范围选取主框架以外200 mm范围。吊舱支撑结构形式，见图2。 由图2可以看出，本文设计的吊舱支撑结构充分利用原有船舶构件，结构完整连续，构件分布均匀，可保证施工及维护空间要求，具有良好的工艺性。
3 船用吊舱支撑结构校核
由于吊舱支撑结构无统一标准化设计及校核方法，因此需采用直接计算方法校核其强度、刚度是否满足要求。下面结合上述4 000 t级船舶的吊舱支撑结构设计实例，采用有限元仿真方法对吊舱支撑结构进行强度及刚度校核。
3.1 有限元模型
参考CCS《钢制海船入级规范》第2篇第3章第7节甲板设备支撑结构直接计算的相关要求，为了更真实地模拟吊舱基座周围力的传递对基座的影响以及基座随船尾的整体变形情况，建模范围取整个吊舱舱段从主甲板至船底板所有结构[6]。
有限元模型采用右手坐标系：原点设于尾垂线和基线相交处;x轴为沿船长方向向船首方向为正;y轴为沿水平方向向左舷为正;z轴为垂向由原点向上为正。
根据结构的实际受力状态，将吊舱各类结构用以下单元类型模拟[7]：
板壳元（四节点，shell181）：甲板、外板、纵舱壁及横舱壁、基座及其面板、肋板、纵桁及强横梁腹板等;
梁元（三节点，beam 189）：板材上的纵横骨材、肋板上的面板、纵横舱壁上扶强材、支柱等;
MPC单元：主从自由度用以加载集中外载，将法兰盘安装面上的各个节点耦合于法兰盘安装面的中心上。
模型的网格尺寸最大为300 mm，共包含19353个shell单元、6 906个beam单元及2个MPC单元。
根据所选材料：屈服极限为235 Mpa;材料参数为E=2.01×1 011 pa;μ=0.3;ρ=7 850 kg/m3。
吊艙舱段及支撑结构的有限元模型，如图3、图4所示。
3.2 边界条件
参考CCS《钢制海船入级规范》第2篇第3章第7节甲板设备支撑结构直接计算的边界条件相关要求，应在主要支撑结构处设置位移约束。因此将吊舱舱段首端的主横舱壁与外板及甲板相交处的节点做简支约束。
3.3 载荷
根据设备资料，吊舱产生的载荷合成后为：重力342 kN、径向螺旋桨产生的拉力589 kN、倾斜力矩1456 kN·m、转舵时产生的水平力矩443 kN·m。由于吊舱可360 °旋转，因此选取0、±45°、±90°、±135°及180°方向推进共8种计算工况，各工况载荷换算值如表1所示。
在具体施加载荷时，在吊舱环形基座的安装面上建立刚性域，将环形基座上各个节点耦合于环形基座安装面中心的节点上，将载荷施加于中心节点上。载荷施加示意图，如图5所示。
3.4 校核衡准
由于吊舱推进器与船体外板间的距离、角度等对推进器周围流场有巨大影响，影响推进器的推进效率。若吊舱推进器支撑结构在推进器运行过程中发生过大的相对变形，将导致推进器与船体外板间的距离、角度偏离设计值，从而降低推进效率甚至产生安全隐患。因此，不同于其他以强度校核为主要指标的支撑结构，吊舱推进器支撑结构的主要设计指标还应满足严苛的刚度要求。参考CCS《钢制海船入级规范》第2篇第3章第7节甲板设备支撑结构直接计算的许用应力相关要求，吊舱支撑结构校核衡准取为：基座区域允许最大相对变形（即法兰盘安装面与相邻区域原船体外板间的相对变形）为1 mm;合成应力的许用值为235 Mpa。
3.5 计算结果
通过仿真计算分析，可得到吊舱推进器各角度运转时支撑结构的合成应力结果、法兰盘安装面节点的位移及计算得出的最大相对位移数值，如表2所列。
由表2所列结果及位移云图（略）可知：吊舱在各工况推进时，吊舱推进器支撑结构上的最大应力均出现在与吊舱推进器基座腹板相连的外板上;最大相对变形均出现在吊舱推进器基座的面板上;各工况下应力及变形数值均小于相应限值，即吊舱推进器支撑结构的强度及刚度均满足相关校核衡准要求。
在满足强度及刚度要求基础上，为减轻重量进一步对支撑结构各构件的布置及尺寸选取进行对比分析，得到支撑结构各部件的合理布置范围及规格区间如下：吊舱支撑结构加强范围以距吊舱推进器环形基座中心2.5～3.0倍吊舱环形基座直径距离为宜;主框架选取在距吊舱式推进器环形基座中心2.0～2.5倍吊舱环形基座直径距离为宜;辐射肘板间距以1.0～1.5倍肋距为宜;肘板腹板板厚一般不小于环形基座腹板的0.8倍、面板板厚一般取腹板厚度加2 mm以上;支撑结构加强范围内的桁材、肋板等构件宜加厚至与辐射肘板等厚;基座附近的外板应较原外板增厚约0.4倍为宜;增厚范围以吊舱在外板开口直径的1.5～2.0倍为宜。以此形成一个满足船用吊舱安装和使用要求且轻量化的吊舱支撑结构。
4 结语
船用吊舱推进器支撑结构设计是吊舱应用的关键技术之一。为设计出能满足设备强度及刚度要求，同时保证施工及维护空间要求及重量轻，结构简洁的吊舱支撑结构，应遵循以下设计原则：（1）合理选取支撑结构加强范围，最大限度节省空间资源;（2）采取辐射型结构型式，加强构件布置应尽量均匀;（3）利用强构件形成主框架，增加支撑结构整体强度及刚度;（4）保证构件连续性，主要构件尽量向首尾主横舱壁处延伸;（5）所有构件应合理过渡，避免结构突变造成应力集中;（6）必要时对支撑结构加强范围内的原船体构件采取加厚及加固等措施予以加强;（7）合理选取支撑结构构件尺寸，尽量控制支撑结构重量;（8）合理选取构件面板宽度，避免形成狭小空间影响设备施工及维护;（9）充分利用原船体构件，节约总体资源。
由上述仿真计算校核结果可知，依据本文设计指导原则设计的吊舱式推进器支撑结构合理有效：辐射式支撑肘板能够有效地向各个方向传递吊舱式推进器不同角度操纵时的受力;辐射肘板与基座间的圆弧过渡连接减小了局部应力集中;辐射肘板在主框架之外延续与原有船体主要构件连接，减小了结构突变，使得整个吊舱支撑结构范围内应力较小且分布较均匀;连续、封闭的主框架牢固而稳定，有效的限制了结构及设备变形，满足设备运行时严苛的刚度要求。
现行规范尚未有关于吊舱式推进器支撑结构的完整的校核方法及衡准。本文从设备使用要求出发，给出了吊舱支撑结构校核的思路，采用有限元仿真分析方法，直观的展示了吊舱推进器支撑结构的应力和变形分布。本文提供的仿真模型模拟原则、计算工况的简化和选取、约束的选取、校核衡准的选取等，对同类船舶吊舱推进器支撑结构的校核及进一步优化设计具有较好的指导意义。
参考文献
[1]马驰，张旭，钱正芳等. POD 推进器技术发展及其应用前景[J].船舶工程，2007（6）：25-29.
[2] 咸屹，聂文天. 吊舱式全回转电力推进器的现状及展望[J].江苏船舶，2007（6）：28-29.
[3]邵赟，黄磊.“科学号”科学考察船吊舱式电力推进系统关键技术[J].船海工程，2015.
[4] 高海波，高孝洪，陈辉等. 吊舱式电力推进装置的发展及应用[J].武汉理工大学学报，2006（1）：77-79.
[5] 高宜朋，曾凡明，张晓峰. 吊舱推进器在舰船推进系统中的发展现状及关键技术分析[J].中国舰船研究，2011（1）：90-96.
[6]中国船级社. 钢质海船入级与建造规范[M].北京：人民交通出版，2018.
[7]刘笑天. ANSYS Workbench结构工程高级应用[M].北京：中国水利水电出版社，2015.