高速船尾部喷推区域结构设计及强度和振动分析
2020-11-27王海洋布英磊
王海洋，罗 凯，郑 凯，陈 涛，何 秦，布英磊
(中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011)
0 引 言
近几年来，随着沿海国际形势的变化，高速船在海军日常事务处理中扮演着越来越重要的角色。高速船大多采用喷水推进装置，与传统螺旋桨推进相比，喷水推进装置具有卓越的高速机动性，在回转时喷水推进装置产生的侧向力可使回转半径更小[1-2]。喷水推进在高航速船上具有更高的效率、更低的噪声，但目前国内在喷推区域的船体结构加强经验尚少。由于喷水推进装置需在船体尾封板上开大口，而且由喷水推进泵内产生的水力激振力会影响船体的局部强度及振动，进而影响船体结构设计，所以高速船尾部局部强度及振动问题逐渐引起了船舶设计者的关注[3-4]。
王小二等[5]针对某新型高速巡逻艇运用CFD方法对喷泵的进水流道进行了数值模拟；胡彬彬等[6]研究船体与喷水推进装置的相互作用，探求喷水推进装置对船体自航因子的影响；罗灿等[7]采用计算流体动力学分析软件CFX对船用喷水推进装置在各流量工况下的运行情况进行了数值模拟。由于高速船舶尾部采用喷水推进装置的特殊性，其尾部局部强度及振动问题值得深入研究。
本文建立了某高速船船体尾部包含喷水推进泵在内的有限元模型，不仅考虑喷泵在各个工况下的产生喷水作用载荷，还考虑了包括船底波浪冲击压力、舷侧波浪压力、甲板载荷、水密舱壁的压力等在内的船体设计载荷的综合作用，根据中国船级社颁发的《海警舰船设计建造规范》（2016）[8]，并参考《钢质海船入级规范》（2015）[9]、《船上振动控制指南》（2012）[10]进行尾部强度及振动校核，找出危险工作工况，对结果进行分析，从而为船体结构设计提供技术支撑。
1 喷推区域结构设计
1.1 喷推装置介绍
本文计算对象为某高速船，总长约108 m，船宽14.4 m，型深5.8 m，满载排水量约2000 t，最大航速为32 kn，动力型式采用4泵喷水推进，喷水推进装置布置图如图1所示。喷水推进装置在尾封板上通过加强圈与流道采用螺栓连接起来，并保证水密，如图2所示，喷泵里面的螺旋桨转速为603.6 r/min，5叶桨。
图 1 喷推装置布置简图Fig. 1 Layout sketch of water-jet apparatus
图 2 螺栓连接示意图Fig. 2 Sketch of bolted connections
1.2 流道加强结构设计
流道在FR188至船尾通过直径50 mm的圆钢与船体外板焊接，流道厚度比连接的船体外板厚2 mm。根据流道线型，在流道中纵剖面设置一道中纵桁，往两边各均匀布置3道纵向加强筋，如图3所示；横向在每个肋位处设置强肋骨，以承受流道内液体流动产生的压力，各个流道之间均设置1道中纵桁，如图4所示。
图 3 流道结构纵向加强Fig. 3 Structure reinforcing of longitudinal channel structure
图 4 流道结构横框架加强Fig. 4 Structure reinforcing of transversal channel structure
1.3 尾封板加强结构设计
尾封板上由于喷泵的原因，有4个直径1.5 m的圆形开口，相应地进行环形加强结构设计，尾封板厚度适当加厚，尾封板加强如图5所示。
图 5 尾封板上喷推开口区域结构加强Fig. 5 Structure reinforcing of opening area
2 有限元模型
该船尾部的三维有限元模型如图6和图7所示，主要由壳单元、梁单元、杆单元组成。
图 6 尾部流道处有限元模型Fig. 6 Finite element model of channel area
图 7 尾封板处有限元模型Fig. 7 Finite element model of stern transom plate area
尾部有限元模型范围纵向取船尾至FR176横舱壁之间，左右舷模型均建出，垂向从船底到01甲板。
模型单元划分：甲板板、舱壁板和外板主要采用壳单元模拟；纵骨及扶强材用梁元模拟，强横梁、纵桁腹板用壳单元模拟，面板用梁单元模拟。
模型运动和位移坐标系正向是x轴指向船首，y轴指向左舷，z轴向上。
3 设计载荷
3.1 传统船体设计载荷
通过计算可以得到船体计算载荷，其中包括船体构架受到的船底波浪冲击载荷、舷侧计算载荷、甲板载荷、舱壁载荷等，该过程主要依据中国船级社（CCS）《海警舰船设计建造规范》2016年版第11章第3节内容进行。其中主要的载荷船底波浪冲击载荷、舷侧计算载荷计算结果如表1。
表 1 船底波浪冲击压力计算Tab. 1 Wave pressure of hull bottom
表 2 船体舷侧设计载荷部分位置计算Tab. 2 Design loads of hull broadside
3.2 喷推作用载荷
尾封板上每根喷水推进装置在船舶运行时会造成喷水作用力和力矩。根据船舶的不同运动工况，具体数值如表3所示。坐标轴方向同船体坐标系。多点约束（MPC）用于确保加载力和力矩均匀分布在模型的加载区域。MPC点创建在尾封板上，喷水推进力和力矩应用于MPC点上。
4 尾部局部强度及振动分析
根据设计载荷的计算结果，通过有限元软件MSC.Patran加载到船体有限元模型中，并加入边界条件。利用MSC.Nastran软件进行计算，根据相应衡准对各个工况下的尾部局部强度及振动强度进行校核及分析。
表 3 不同运动工况下喷水作用载荷Tab. 3 Sprinkling loads under different operating conditions
4.1 边界条件及应力衡准
边界条件：FR176横舱壁处刚固，有限元模型边界条件如图8所示。
图 8 有限元模型边界条件Fig. 8 Boundary conditions of finite element models
局部强度计算的构件应力应不大于表4所示值。主船体和甲板室的板材采用D36高强度钢板（σs≥355 MPa），内围壁板和型材采用船体用CCSB级钢（σs≥235 MPa）。故梁、杆单元的许用等效应力根据材料不同分为259 MPa和172 MPa。
表 4 应力衡准表Tab. 4 Stress criterion
表 5 各运动状态下局部强度计算及校核表Tab. 5 Local strength under different motion states
4.2 尾部局部强度计算
由于采用喷水推进装置，故在船体尾部结构模型上，除了考虑船体骨架设计载荷外，还应重点考虑喷水作用载荷。分别对5个不同运动状态下的工况进行强度计算，得到局部强度计算结果如表5所示。5种不同的运动状态下，LC4（100%功率紧急停船）下的喷水推进力和力矩最大。
经过有限元模型计算，各工况尾封板区域较其它船体结构构件应力小，合成应力最大为73.4 MPa左右；最大板单元等效应力集中在底部肋骨处，最大板单元剪应力集中在底部肋骨及舷侧处，最大梁单元等效应力集中在中内龙骨及旁内龙骨处。各应力值均小于许用值，满足衡准要求。
LC4尾部板单元等效应力云图如图9所示。
图 9 LC4尾部板单元应力云图Fig. 9 Element stress nephogram of stern area
LC4尾封板板单元等效应力云图如图10所示。
图 10 LC4尾封板板单元应力云图Fig. 10 Element stress nephogram of stern transom plate
4.3 尾部局部振动计算
边界条件在FR176横舱壁处刚固，并考虑附连水质量，进行振动计算，校核衡准依据《船上振动控制指南》（2012）第15章内容进行。
尾部振动计算结果如表6所示。
表 6 尾部结构固有频率计算结果Tab. 6 Natural frequency of stern structure
尾部垂向1阶固有振型云图如图11所示。
图 11 垂向1阶振型云图Fig. 11 Vertical first order modal nephogram
尾部垂向2阶固有振型云图如图12所示。
图 12 垂向2阶振型云图Fig. 12 Vertical second order modal nephogram
尾部扭转1阶固有振型云图如图13所示。
尾封板板架振动计算结果如表7所示。
尾封板板架1阶固有振形云图如图14所示。
图 13 扭转1阶振型云图Fig. 13 Torsional first order modal nephogram
表 7 尾封板结构固有频率计算结果Tab. 7 Natural frequency of stern transom plate
图 14 尾封板板架振型云图Fig. 14 Modal nephogram of stern transom plate
从上述尾部振动计算结果来看，尾部垂向及扭转固有频率、尾封板板架固有频率均与主要激励频率有较大程度的错开（满足8%～10%），不会发生共振情况。另外，本船推进型式采用喷水推进，螺旋桨不同于常规螺旋桨那样完全暴露在海水里，螺旋桨桨叶放置在流道里，水流及流速较为均匀，可以更好地减小产生振动的概率，对结构强度也更为有利。
5 结 语
本文针对某高速船尾部喷水推进装置的局部强度及振动问题进行了计算，经分析可以得出以下结论：
1）由于喷推装置流道内水流均匀，产生的喷推力较为恒定，虽然尾封板上有较大开口，且流道线型独特，但尾封板的应力值小于船底板、舷侧板等部位构件的应力值，说明采用喷推装置，对于高速船无论在快速性、操纵性等方面较为优越，在结构受力方面也同样有较好的表现；
2）由尾部强度计算结果可以看出，喷推区域加强结构的应力水平满足设计要求，说明加强结构设计合理，可以对该类型喷泵装置的装舰提供结构设计方面的参考价值；
3）尽管该高速船船体尾部强度满足规范标准，但某些构件例如舷侧肋骨、底部肋骨的应力水平仍较大，在后续类似船型进行结构设计时，需引起注意。
