全回转舵桨装置基座及其加强结构强度分析

周林 黄涣青 黎剑

摘    要：舵桨装置基座及其加强结构受力状态和结构形式复杂。本文选取一艘42 t系柱拖力港作拖轮为研究对象，阐述全回转舵桨装置基座结构强度计算的具体方法和过程。通过结构有限元软件对舵桨装置基座及其加强结构施加甲板压头、外板和舵桨底部水压头、舵桨载荷、重力加速度，模拟其在不同工况下的强度评估，将计算数据与校核衡准进行比对，结果显示结构强度及评估符合设计规范及技术要求。并根据计算结果进行结构优化，对后续的全回转舵桨装置基座结构设计起到一定的参考作用。

关键词：舵桨装置基座;有限元;强度

中图分类号：U663.7                                  文献标识码：A

Abstract： The force state and the structure form of the azimuth thruster foundation and its reinforcement structure are complex. In this paper， a 42 t BP harbor tug is selected as the research object， and the concrete method and process of calculating the structural strength of the azimuth thruster foundation are expounded. The structures of the azimuth thruster foundation and its reinforcement structure under different working conditions， such as deck pressure， shell and thruster bottom pressure， thruster load and gravity are stimulated and analyzed by the Finite Element software， the calculated data are compared with the rule criteria， the results show that the structural strength and evaluation meet the design specifications and technical requirements. Based on the calculation results， the structure is optimized， which plays a certain reference role in the subsequent design of the azimuth thruster foundation.

Key words： Azimuth thruster foundation; Finite Element method; Strength

1     引言

全回轉舵桨装置可根据需要随时改变螺旋桨的推进方向，从而完成船舶的方向改变。随着人们对船舶操纵性的要求不断提高，全回转舵桨不断应用于各类工程船舶。由于舵桨装置质量大、结构复杂、受力状态变化多样，为确保舵桨装置基座及加强结构强度满足要求，应用有限元方法，全面研究舵桨装置基座及加强结构在外载荷作用下的响应。

2     模型概述

本文选取一艘42 t系柱拖力港作拖轮为研究对象，采用MSC.Patran&Nastran有限元软件进行分析。首先建立有限元模型，并根据美国船级社（ABS）规范《Rules for building and classing steel vessels under 90 meters in length》（2014）（简称《规范1》）和《Rules for building and classing steel vessels》（2014）[4] （简称《规范2》）要求，对计算结果进行校核。

2.1   舵桨布置

本船在尾部设置两套360°全回转舵桨推进装置（每台1 800PS），带导流罩，舵桨装置与基座采用螺栓连接形式详见图1和图2。

2.2   有限元模型

本船采用局部三维结构模型，模型范围为：长度方向从船尾至FR13;宽度方向从右舷舷侧至左舷舷侧;高度方向从船底至主甲板。

本模型采用梁单元模拟普通横梁、肋骨，以及强横梁、纵桁、水平桁、垂直桁的面板和肘板的面板。整个模型共有梁单元4 320个;采用板单元模拟尾部舵桨基座区域外板、甲板板、舱壁板，以及强肋骨、甲板强横梁、甲板纵桁、水平桁、垂直桁的腹板和肘板的腹板，共30 939个板单元;舵桨装置重量用质量点模拟，位置在其重心处。有限元模型见图3和图4，共有29 849个节点。

模型采用国际单位制建模，网格大小约为100mmx100 mm，在舵桨装置质量点与基座连接处采用MPC刚性连接（按连接螺栓分布）。

船体材料采用船用低碳钢，其弹性模量E为2.06×1011 N/m2、密度为7850 kg/m3、泊松比为0.3、屈服强度为235 MPa。

3      边界条件和载荷工况

3.1    边界条件

将模型FR13横截面刚性约束。

3.2    设计工况

考虑到舵桨装置的运动方式以及船体尾部的结构形式（左右对称），根据舵桨螺旋桨指定方向共设置10个工况进行计算：舵桨螺旋桨指向0o、45 o、90 o、135 o、180 o，每个角度舵桨有顺时针和逆时针的扭矩，详见表1。由于本船在港口内作业，风浪较小，可忽略船舶运动和风浪载荷对计算结果的影响。

3.3   甲板载荷

根据《规范1》3-2-3/3.1.1，计算得到甲板压头为17597 N/m2，将载荷施加到甲板面上。

3.4   外板和舵桨底部水压力

由于本船最大吃水为3.5 m，且在最大吃水时舵桨底板在水下，因此计算时要在外板和舵桨底部施加水压力载荷。其中舵桨底板的载荷，通过均布力的形式均布到基座面板上。

3.5   舵桨装置载荷

根据设备商提供资料，单个舵桨装置载荷为F=300000 N，Moment=73 977 kN*m。将载荷施加到舵桨重心处的质量点上（质量为舵桨重量17 t），见图5。

4     许用衡准

根据《规范2》Part3-chapter2-section14，基座及其加强结构的许用应力，见表2。

5     计算应力汇总

对不同工况下各评估区域的最大应力进行整理，具体计算结果见表3，计算位移见图6～图14。

6     结论及展望

本文利用MSC Patran&Nastran有限元软件，对全回转舵桨装置的基座及其加强结构进行强度分析。根据计算结果，对基座肘板的布置进行了优化，将舵桨基座肘板设计成沿圆周发散，使基座肘板与船底龙骨和肋板合理受力连接;充分考虑了各工况下，经调整结构尺寸进行优化后的基座受力、加强结构受力的有效传递。

计算结果表明该结构设计应力分布合理，强度同时满足《规范1》和《规范2》的相关要求。该分析过程可为类似船的基座设计及其加强结构设计提供参考。

参考文献

[1] 赵尚輝，任鸿，孙雪荣，李福军，黄守成. 舵桨装置基座及加强结构的强度研究[J]. 上海造船，2008（3）.

[2] 黄聪，刘兵山. Patran从入门到精通[M]. 北京： 中国水利水电出版社，2003.

[3] American Bureau of Shipping， Rules for building and classing steel vessels under 90 meters in length[S]， ABS  2014.

[4] American Bureau of Shipping，Rules for building and classing steel vessels [S]，  ABS，  2014.