L 型全回转推进器船体支撑结构设计与分析

2021-12-10李文华王燕舞

舰船科学技术 2021年10期

宋扬，李文华，张伟，王燕舞

(中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011)

0 引言

作为一种新型的船舶推进系统，全回转推进器具有适装性好、操纵性优良、布置简便、可靠性高、维护方便等突出优点。目前市场上存在多种类型的全回转推进器，包括Z型全回转推进器、L型全回转推进器以及吊舱式推进器等。发展到现在，全回转推进器已在诸如豪华邮轮、海洋工程船、民用运输船、科考/公务船、破冰船等多种船型上得到应用。

对于不同类型的全回转推进器，其船体支撑结构的受力形式、构件设计和计算验证亦随之有所区别。为此，以中国船舶及海洋工程设计研究院（MARIC）研发的某新型6 000 吨级科考船为例，总结其船体支撑结构设计的思路和特点，并求解L型全回转推进器梁系简化模型的承力解析解，再运用有限元方法进行验证分析。6 000 吨级科考船实船安装L型全回转推进器如图1所示。

图1 6 000 吨级科考船L型全回转推进器Fig. 1 L-shaped azimuth thruster of the 6 000 tons scientific research vessel

1 船级社相关规范

1.1 构件布置要求

随着全回转推进器在越来越多船型上得到运用，各家船级社也陆续推出了针对全回转推进器支撑结构的具体要求。全回转推进器的船体支撑结构系指承托吊臂的底座圈梁及其面板和与其相连及周围的支撑桁材、肋板所组成的正交格栅板架[8]，典型结构如图2所示。

图2 全回转推进器典型支撑结构Fig. 2 Typical support structure of azimuth thruster

1.2 许用应力衡准

对于全回转推进器的支撑结构各家船级社都要求进行直接计算强度评估，关于直接计算的许用应力衡准，中国船级社（CCS）《钢制海船入级规范》、英国劳氏船级社（LR）《Rules and Regulations for the Classification of Naval Ships》以及国际船级社协会（IACS）《Common Structural Rules for Bulk Carriers（CSR）》中有关规定，如表1所示。

表1 许用应力衡准Tab. 1 Criteria of allowable stress

由表1可以看出：

1）只有CCS明确给出了正常工况和极限工况的应力衡准，LR规范对于极限工况的应力衡准模糊解释为可适当放宽，需要针对具体船型进行讨论；

2）CCS与LR关于正常工况的许用应力衡准要求相近，但CCS没有给出细网格合成应力的衡准；

3）CSR规范对散货船上全回转推进器支撑结构的许用应力衡准提出了严苛的要求，在此类型船的设计中需要特别关注。

基于所选取的研究对象，选定CCS的相关规定作为后续直接计算的许用应力衡准。

2 L型全回转推进器支撑结构设计

目标船采用罗尔斯·罗伊斯公司的新式L型全回转推进器，推进器分为上下两部分，便于设备的交付与维修，其在上部船体内集成了一个高效的永磁电机，尽量减少所占用的船体空间。

对于该推进器，在设计时采用单底支撑的结构形式，利用辐射型的短桁材将基座与底部纵桁、肋板相连，同时将短桁材面板在基座连接处做成圆弧形趾端，增加基座连接强度的同时减小应力集中系数，其支撑结构平面如图3所示。为了尽量提高基座区域的刚度，满足设备商关于船体支撑结构刚度的要求，应充分利用推进器周边平台甲板、纵舱壁、横舱壁等刚性更强的构件作为支撑结构的端部，最终形成一个完整的船体支撑结构承力框架。

图3 6 000 吨级科考船单底支撑结构平面Fig. 3 Support structure plan of 6 000 tons vessel

与其他类型全回转推进器相比，该推进器整体式的嵌入船体内，典型剖面如图4所示。尽管此种布置会占用部分船体内部空间，却可以大幅提升支撑结构腹板圈梁高度，同时船体结构在基座面板连接处和船体外板处对推进器形成有效支撑，最终使得这种L型全回转推进器支撑结构可以承受更大功率推进器载荷，适用于功率较大、尾部空间较富裕的中型科考船上使用。

图4 6 000 吨级科考船支撑结构典型剖面Fig. 4 Typical support structure section of 6 000 tons vessel

3 基于梁系简化模型载荷计算

根据设备商资料，6 000 吨级科考船L型全回转推进器受力示意如图5所示，有重力G，水动力平面载荷（包含舵力和螺旋桨推力）Fres，水动力垂向载荷Fz以及转舵扭矩Ms。

图5 6 000 吨级科考船推进器受力示意图Fig. 5 The force of 6 000 tons vessel’s azimuth thruster

由于设备商直接给出了螺旋桨转动中心处的平面载荷以及垂向载荷，可将其简化为梁系模型进行分析，其中基座平面处（A点）边界条件取为刚性固定，船体外板处（B点）边界条件取为自由支持，螺旋桨转动中心处（C点）取为自由端，受力简图如图6所示。为求解此超静定结构，暂不考虑垂直方向的受力，根据力法原理，将其分解为2根单跨梁，如图7所示。

图6 推进器受力简图Fig. 6 The force sketch of azimuth thruster

利用A点处转角为0的边界条件便可求解此梁系结构，其力学方程如下：

图7 力法分解受力简图Fig. 7 The sketch of structural force method

再考虑推进器垂直方向的平衡方程

联立求解式（1）和式（2），便可最终得出A，B点处的承力解析解：

4 有限元分析验证

为验证L型全回转推进器梁系简化模型解析解的正确性及合理性，仅以推进器正常工况为研究对象，运用MSC的Patran/Nastran通用软件进行有限元分析验证。

4.1 有限元模型

选取全回转推进器支撑结构作为研究对象，模型纵向范围为尾封板～FR8水密横舱壁，横向范围为整个船宽，垂向范围为整个型深。

模型主要采用2D-Shell单元，1D-Beam单元。网格单元大小为200×200 mm左右，高应力区域的网格适当细化。甲板板、舱壁板、主要支撑构件（纵桁和强横梁）的腹板、基座板用Shell单元模拟，主要支撑构件面板用Beam单元模拟。

模型的边界条件为在FR8水密横舱壁处进行简支，约束X、Y、Z方向的位移，有限元模型如图8所示。

4.2 载荷工况

推进器载荷（重力G，水动力平面载荷Fres，水动力垂向载荷Fz以及转舵扭矩Ms）由罗尔斯·罗伊斯公司提供，根据设备商资料，该船全回转推进器有2种运行模式，即巡航模式和机动模式。

图8 有限元模型Fig. 8 Finite element model

巡航模式最大允许角度范围为+/-35°，为推进器在最大功率和转速下运行；机动模式可以360°旋转但功率受到限制，仅承受螺旋桨推力且只能在10 kn航速以下使用。最终选定0°，+/-15°，+/-35°，+/-60°，+/-90°，+/-120°，+/-150°以及180°共计14种典型方位角进行有限元校核，在进行有限元分析时重力考虑1.8倍船体加速度，其余载荷考虑1.25倍的安全系数。

选择2种载荷施加方式来进行推进器支撑结构有限元分析：

1）由于推进器自身刚度足够强，可将该推进器模拟单元作近似刚性体处理从而建立推进器的3D简化模型，采用MPC形式，将设备商提供的推进器载荷直接加载到螺旋桨转动中心处，其加载模型如图9所示，校核工况如表2所示，此种加载方式后续简称简化模拟加载；

2）去除有限元模型中推进器的模拟单元，运用计算式（3）得到基座平面处（A点）和船体外板处（B点）船体结构的受力解析解，采用MPC形式，将A点和B点载荷分别加载到船体结构处，其加载模型如图10所示，校核工况如表3所示，此种加载方式后续简称解析解加载。

图9 简化模拟加载模型Fig. 9 Simplified simulation model

表2 简化模拟加载校核工况Tab. 2 Loading condition of simplified simulation

图10 解析解加载模型Fig. 10 Theoretical solution model

表3 解析解加载校核工况Tab. 3 Loading condition of theoretical solution

表4 两种加载方式计算结果Tab. 4 The result of simplified simulation model and theoretical solution model

4.3 计算结果

通过有限元分析，可得到正常工况下全回转推进器各角度运转时支撑结构的正应力、剪应力以及合成应力，应力衡准参照CCS规定。此外，从实船安装、使用角度出发，座圈结构相对变形即船体支撑结构的刚度问题更值得关注，设备商往往对此相对变形量提出较为严苛的要求。所谓相对变形量即全回转推进器基座法兰盘安装面与相邻区域船体外板间的变形位移差，与设备商确认后将相对变形量的衡准取为1 mm。

读取有限元结果可得到2种加载方式的应力、变形结果，如表4所示。

由表4可知：

1）该全回转推进器支撑结构强度满足CCS规范要求，相对位移量也满足设备商对船体刚度的要求，其中结构强度裕度较大，这是因为支撑结构的构件尺寸主要由船体刚度决定；

2）2种加载方式应力分布及变形趋势一致，最大合成应力出现在+35°工况，最大相对变形量出现在-35°工况，但解析解加载方式的计算结果偏安全，这主要源于所采用力学模型在边界条件、载荷作用形式等方面作出的偏安全简化。