， ,，

(1.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 可靠性工程研究所，武漢 430063；2.中國(guó)中鐵大橋局集團(tuán)有限公司,武漢 430050;3.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063)

為推動(dòng)風(fēng)帆助航技術(shù)的發(fā)展，很多國(guó)家進(jìn)行了大量的研究工作并取得了很多成果。

德國(guó)的“E-Ship 1”號(hào)船。該船布置了4個(gè)Flettner型轉(zhuǎn)筒帆，其中兩個(gè)布置于橋樓后方，另兩個(gè)布置于船尾處，該船上的4個(gè)Flettner型轉(zhuǎn)筒帆可為船舶提供足夠的動(dòng)力。

日本東京大學(xué)為 “UT Wind Challenger”號(hào)散貨船設(shè)計(jì)桅桿及相配套的剛性風(fēng)帆，其中風(fēng)帆采用了曲面中空設(shè)計(jì)方案，每個(gè)帆面都配備單獨(dú)的電機(jī)控制系統(tǒng)，可使帆面以最佳的帆角來(lái)捕捉風(fēng)能。

本文根據(jù)已有的帆型進(jìn)行優(yōu)化得到一種新帆型結(jié)構(gòu)，對(duì)新帆型結(jié)構(gòu)用ANSYS軟件建立有限元模型，并且對(duì)風(fēng)帆模型在7～10級(jí)的風(fēng)力作用下的靜力響應(yīng)進(jìn)行仿真。

1 目標(biāo)船風(fēng)帆的參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 目標(biāo)船的選擇

本文所研究的目標(biāo)船為載重量76 000 t巴拿馬型“文竹海”號(hào)散貨船，該船的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 所選風(fēng)帆的基本參數(shù)設(shè)計(jì)

目標(biāo)船風(fēng)帆采用層流型矩形硬帆，并采用鋼制骨架構(gòu)建風(fēng)帆[1]，其展弦比為0.8，拱度比為0.12，考慮到該散貨船的航行區(qū)域以及風(fēng)帆性能等自身因素，得出目標(biāo)船層流型矩形風(fēng)帆的基本參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 風(fēng)帆基本參數(shù) m

風(fēng)帆在船上的布置情況見(jiàn)圖1。

圖1 目標(biāo)船風(fēng)帆總布置示意

2 風(fēng)帆結(jié)構(gòu)三維模型的建立

2.1 所選風(fēng)帆的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

風(fēng)帆結(jié)構(gòu)的材料由船用AH36鋼和超高分子量聚乙烯合成纖維組成，其中超高分子量聚乙烯纖維(UHMW-PE)是目前眾多合成纖維中強(qiáng)度非常高的纖維之一，具有高強(qiáng)度、高模量、低密度、低吸濕率等一系列優(yōu)點(diǎn)，強(qiáng)度相當(dāng)于普通鋼材的15倍，模量?jī)H次于碳纖維，密度小于水，纖維吸濕率為零。所選材料的基本參數(shù)如表3。

表3 材料的基本參數(shù) m

帆面的主梁(帆面骨架)以及帆用桅桿均采用AH36鋼來(lái)搭建。為了便于風(fēng)帆自動(dòng)控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，風(fēng)帆的開(kāi)啟和關(guān)閉采用了液壓傳動(dòng)控制技術(shù)。通過(guò)液壓桿的伸長(zhǎng)來(lái)?yè)伍_(kāi)整個(gè)帆面，即開(kāi)啟帆面；通過(guò)用液壓桿的收縮使得整個(gè)帆面閉合，即收攏帆面。風(fēng)帆的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

圖2 風(fēng)帆基本結(jié)構(gòu)示意

2.2 風(fēng)帆結(jié)構(gòu)的三維模型

圖3 風(fēng)帆結(jié)構(gòu)的三維模型

在確保風(fēng)帆結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)之上，為進(jìn)一步減輕風(fēng)帆整體結(jié)構(gòu)的重量，帆面將采用超高分子量聚乙烯合成纖維來(lái)制作雙層中空帆面[2]。雙層中空帆面結(jié)構(gòu)的空氣動(dòng)力學(xué)特性與飛機(jī)機(jī)翼相似。鋼與纖維材料之間通過(guò)鉚釘鏈接在一起。風(fēng)帆結(jié)構(gòu)的三維模型見(jiàn)圖3。

3 風(fēng)帆有限元模型的建立及網(wǎng)格劃分

3.1 約束條件

風(fēng)帆模型的桅桿底部采取固定約束，并在風(fēng)帆的正迎風(fēng)面施加與航向相反的風(fēng)載荷，由于前期對(duì)于相關(guān)航道上風(fēng)速，風(fēng)向等數(shù)據(jù)的缺乏，在不能準(zhǔn)確做出動(dòng)態(tài)分析的情況下，首先以靜態(tài)分析為主，為后面的動(dòng)態(tài)分析打基礎(chǔ)。

3.2 載荷加載

為了更真實(shí)地模擬風(fēng)帆受到風(fēng)載荷作用的情況，通常選取風(fēng)帆受力的極限位置作為研究對(duì)象。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理的相關(guān)理論，風(fēng)壓與風(fēng)速間的關(guān)系可表述為

p=0.5·ρ·u2·Cp

(1)

式中：ρ——空氣密度，1.25 kg/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)；

u——受風(fēng)中心風(fēng)速；

Cp——受風(fēng)體的空氣動(dòng)力特性系數(shù)，按相關(guān)資料取Cp=1.2。

p=0.75u2

(2)

利用式(2)可將不同風(fēng)速等效轉(zhuǎn)換為作用在風(fēng)帆上的風(fēng)壓，表4為7～10級(jí)風(fēng)速及相應(yīng)的風(fēng)壓值。

表4 風(fēng)速等級(jí)和風(fēng)壓

3.3 有限元單元的選擇

風(fēng)帆模型主要由薄壁(30 mm)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，因而在有限元分析時(shí)就要選取合適的單元類(lèi)型。本文所研究的風(fēng)帆模型屬于結(jié)構(gòu)分析的范疇，風(fēng)帆模型的結(jié)構(gòu)均可視為薄壁結(jié)構(gòu)，因此用殼單元來(lái)分析風(fēng)帆模型是合適的[3-5]。

在風(fēng)載荷確定之后，本文選用的殼單元是SHELL63單元。SHELL63單元既具有彎曲和薄膜特性，也可以承受平面內(nèi)荷載和法向荷載，該單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有6個(gè)自由度，即：沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X、Y、Z三個(gè)方向的平動(dòng)和沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X、Y、Z三個(gè)軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)[6]，能夠滿(mǎn)足本文的需求。

3.4 網(wǎng)格的劃分

由于選擇了SHELL63單元，實(shí)際上也就是將體劃分轉(zhuǎn)變?yōu)槊嬗虻膭澐謫?wèn)題，并且采用面域劃分中的自由劃分[7]。就本論文而言，整個(gè)風(fēng)帆結(jié)構(gòu)均都選用殼單元SHELL63，得到風(fēng)帆有限元結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖4，局部網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖5。

圖4 風(fēng)帆的有限元結(jié)構(gòu)模型

圖5 風(fēng)帆結(jié)構(gòu)局部網(wǎng)格放大

4 風(fēng)帆在風(fēng)載荷作用下的靜力學(xué)分析

4.1 風(fēng)帆結(jié)構(gòu)在7～10級(jí)風(fēng)載荷下的靜力學(xué)分析

由表4可見(jiàn)，按照風(fēng)等級(jí)的相關(guān)特性，可將風(fēng)速等效為風(fēng)載荷(風(fēng)壓)。由于風(fēng)帆在風(fēng)場(chǎng)中既受到了不同等級(jí)風(fēng)載荷作用，同時(shí)也受到了自身重力的作用(自身重力不可忽略)，考慮風(fēng)帆同時(shí)承受風(fēng)載荷和重力載荷作用，進(jìn)行風(fēng)帆結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析。

1)7級(jí)風(fēng)載荷和重力共同作用下的靜力學(xué)分析?？梢暂^為直觀(guān)地獲知風(fēng)帆最大的變形量為58 mm，最大變形截面發(fā)生在帆面的兩側(cè)邊緣。桅桿的最大變形量均在40 mm以?xún)?nèi)。同時(shí)可以得到風(fēng)帆等效應(yīng)力的分布，帆面和桅桿的應(yīng)力分布絕大部分都低于90 MPa，在風(fēng)帆連接桿與桅桿的連接處產(chǎn)生了局部的應(yīng)力集中，其最大應(yīng)力為133 MPa。結(jié)果見(jiàn)圖6和圖7。

圖6 7級(jí)風(fēng)速下風(fēng)帆的位移云圖

圖7 7級(jí)風(fēng)速下風(fēng)帆的等效應(yīng)力分布云圖

2)8級(jí)風(fēng)載荷和重力共同作用下的靜力學(xué)分析。可以得到風(fēng)帆在8級(jí)風(fēng)作用下的位移情況，風(fēng)帆的最大變形量為87 mm，最大變形截面發(fā)生在帆面的兩側(cè)邊緣處。帆面的變形較大，桅桿和連接桿的變形均控制在65 mm以?xún)?nèi)。同時(shí)得到風(fēng)帆的等效應(yīng)力分布，風(fēng)帆的平均應(yīng)力分布較為合理，帆面和桅桿的應(yīng)力分布絕大部分都低于90 MPa，在連接桿與桅桿的連接處產(chǎn)生了局部的應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為134 MPa。見(jiàn)圖8和圖9。

圖8 8級(jí)風(fēng)速下風(fēng)帆的位移云圖

圖9 8級(jí)風(fēng)速下風(fēng)帆的等效應(yīng)力分布云圖

3)9級(jí)風(fēng)載荷和重力共同作用下的靜力學(xué)分析。可得知風(fēng)帆的最大變形量為118 mm，最大變形截面發(fā)生在帆面的兩側(cè)邊緣。帆面與桅桿的大部分變形量均控制在85 mm以?xún)?nèi)。其中鋼結(jié)構(gòu)材料的變形量在85 mm以?xún)?nèi)。同時(shí)得知風(fēng)帆在9級(jí)風(fēng)載荷作用下的平均應(yīng)力分布情況，風(fēng)帆上平均應(yīng)力分布較為合理，帆面和桅桿的應(yīng)力分布大部分都低于100 MPa，而在連接桿與桅桿的鉸接處產(chǎn)生了局部的應(yīng)力集中，其最大應(yīng)力為153 MPa。見(jiàn)圖10和圖11。

圖10 9級(jí)風(fēng)速下風(fēng)帆的位移云圖

圖11 9級(jí)風(fēng)速下風(fēng)帆的等效應(yīng)力分布云圖

4)10級(jí)風(fēng)載荷和重力共同作用下的靜力學(xué)分析。可以獲知，風(fēng)帆的最大變形量為160 mm，變形的最大位置發(fā)生在帆面的兩邊緣位置，鋼結(jié)構(gòu)材料變形量控制在110 mm以?xún)?nèi)。同時(shí)得到風(fēng)帆在10級(jí)風(fēng)載荷作用下的平均應(yīng)力分布情況，帆面和桅桿的應(yīng)力分布大部分控制在132 MPa以?xún)?nèi)，在風(fēng)帆連接桿與桅桿的連接處產(chǎn)生了局部的應(yīng)力集中，其最大應(yīng)力為193 MPa。見(jiàn)圖12和圖13。

圖12 10級(jí)風(fēng)速下風(fēng)帆的位移云圖

圖13 10級(jí)風(fēng)速下風(fēng)帆的等效應(yīng)力分布云圖

4.2 綜合分析

通過(guò)對(duì)風(fēng)帆在不同風(fēng)載荷和重力載荷共同作用下的仿真計(jì)算，可從仿真結(jié)果的云圖中獲取風(fēng)帆各部件的受力及變形值，對(duì)計(jì)算結(jié)果做簡(jiǎn)要整理與分析，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 風(fēng)帆計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果匯總

本文風(fēng)帆設(shè)計(jì)主梁(帆面骨架)以及帆用桅桿均采用AH36船用鋼板，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB150—1998常規(guī)設(shè)計(jì)中關(guān)于A系列材料的選取準(zhǔn)則，鋼材屈服極限σs=355 MPa，Ns=1.5，安全系數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表6。

表6 安全系數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn)

(3)

通過(guò)對(duì)比分析可知，當(dāng)σmax≤[σ]時(shí)，設(shè)計(jì)的風(fēng)帆結(jié)構(gòu)能夠滿(mǎn)足風(fēng)載荷的沖擊作用，即10級(jí)及以下風(fēng)載荷下的風(fēng)帆的整體強(qiáng)度和形變量都能滿(mǎn)足材料的相關(guān)要求。

5 結(jié)論

在確定材料安全系數(shù)Ns=1.5的情況下，風(fēng)帆結(jié)構(gòu)能夠承受10級(jí)及以下風(fēng)載荷的作用。當(dāng)風(fēng)帆結(jié)構(gòu)在某一級(jí)風(fēng)情況下發(fā)生結(jié)構(gòu)安全性無(wú)法滿(mǎn)足要求時(shí)，就需要以此風(fēng)級(jí)為限度，控制風(fēng)帆的使用，必要時(shí)及時(shí)收帆。

考慮到目標(biāo)船的航行區(qū)域，仿真結(jié)果表明新的風(fēng)帆結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，可為設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)及理論支持。

今后的工作中可以進(jìn)一步完善風(fēng)帆的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可對(duì)風(fēng)帆的結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步優(yōu)化，具體如下。

1)增加帆面與桅桿之間連接桿的數(shù)目，即減少每?jī)蛇B接桿之間的間距。

2)在連接桿之間增加縱向連接構(gòu)件，增加連接機(jī)構(gòu)的整體剛度。

3)改善應(yīng)力集中處材料的表面屬性和接觸面的材料屬性。

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