劉愛兵，周林慧，劉莉莉，田忠殿

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

隨著不可替代能源的日趨枯竭，極地豐富的石油、天然氣、漁業(yè)等資源陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，以及極地在軍事上的戰(zhàn)略意義，各國對極地的科學(xué)研究和開發(fā)日趨重視和活躍。在此形勢下，破冰船自然成為在充滿浮冰的極地從事此類活動的重要工具和運(yùn)輸載體[1-2]。

調(diào)距槳可以為船舶提供良好的操縱性和較大推力，因此很多冰區(qū)航行船舶和破冰船都采用了調(diào)距槳[3]。目前，調(diào)距機(jī)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)主要是參照船級社規(guī)范，DNV GL船級社經(jīng)過多年的研究積累，發(fā)展出較完善的冰區(qū)調(diào)距機(jī)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算方法，并包含到其規(guī)范中[4-5]。本文根據(jù)DNV GL極地冰區(qū)強(qiáng)度計(jì)算規(guī)范，采用有限元方法計(jì)算了在槳葉失效冰載作用下按極地冰區(qū)PC-5級強(qiáng)度設(shè)計(jì)的某破冰船調(diào)距機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度。

1 槳葉失效冰載計(jì)算

DNV GL規(guī)范要求調(diào)距機(jī)構(gòu)必須滿足“金子塔強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則”，即在槳葉失效載荷作用下不能導(dǎo)致調(diào)距機(jī)構(gòu)的失效。這就要求調(diào)距機(jī)構(gòu)中的名義等效應(yīng)力不能超過部件材料的最小屈服強(qiáng)度，即調(diào)距機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)不小于1.0。

槳葉失效載荷 Fex是指引起槳葉塑性彎曲的極限載荷，該載荷可以由式（1）計(jì)算。

式中：c、t、r分別為槳葉根部弦長、厚度和半徑；D為螺旋槳直徑；為參考應(yīng)力。

2 網(wǎng)格劃分和載荷施加

調(diào)距機(jī)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算采用有限元方法，在調(diào)距機(jī)構(gòu)三維建模上劃分有限元網(wǎng)格。考慮到計(jì)算時間及精度，網(wǎng)格在應(yīng)力梯度較大的倒圓區(qū)域進(jìn)行了加密，應(yīng)力梯度較小的區(qū)域網(wǎng)格較稀疏。接觸面之間采用映射網(wǎng)格以保證接觸面的配合[6]。對于油潤滑接觸面，取摩擦系數(shù)為0.1。網(wǎng)格包含約16萬個10節(jié)點(diǎn)的四面體單元和20節(jié)點(diǎn)的六面體單元，總共約25萬個節(jié)點(diǎn)。調(diào)距機(jī)構(gòu)網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 調(diào)距機(jī)構(gòu)網(wǎng)格劃分

將失效載荷施加在槳葉 0.8R（R為槳葉半徑）偏離轉(zhuǎn)葉軸一定距離處，該距離為轉(zhuǎn)葉軸至導(dǎo)邊或隨邊距離的1/3，垂直于槳葉弦線。因此槳葉失效載荷施加分為兩個工況，見表1（槳葉位于70%設(shè)計(jì)螺距位置），載荷施加如圖2所示。在推拉桿的端部設(shè)置為固定約束。

表1 失效載荷施加位置

圖2 失效載荷施加示意圖

3 強(qiáng)度仿真結(jié)果

圖3為兩種載荷施加工況下葉根螺釘?shù)腣on Mises等效應(yīng)力云圖，葉根螺釘?shù)念A(yù)應(yīng)力為553 MPa。由圖3可見，兩種工況下，葉根螺釘最大應(yīng)力差異較大，這是由于工況1的載荷作用在導(dǎo)邊，使得螺釘?shù)妮d荷分布很不均勻，距離施加載荷更近的螺釘承受了更多的載荷。并且，槳葉吸力面靠近導(dǎo)邊的螺釘應(yīng)力較其余兩個螺釘應(yīng)力大，超過了螺釘材料屈服極限 850 MPa。而按照DNV GL規(guī)范公式計(jì)算結(jié)果螺釘應(yīng)力為750 MPa。由于槳葉失效載荷計(jì)算公式是基于DNV GL規(guī)范的，因此規(guī)范公式計(jì)算結(jié)果是更合理的。有限元計(jì)算則可以給出螺釘應(yīng)力分布情況，因此規(guī)范計(jì)算和有限元計(jì)算應(yīng)結(jié)合起來進(jìn)行分析。

圖3 葉根螺釘?shù)刃?yīng)力

對于葉根銷，由于工況 2槳葉失效載荷產(chǎn)生的轉(zhuǎn)葉力矩大較工況 1大，而且葉根銷位于槳葉法蘭靠近隨邊處，因此工況2時葉根銷的應(yīng)力比工況1大。圖4給出了工況 2葉根銷等效應(yīng)力云圖和切應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力均小于材料的屈服強(qiáng)度 850 MPa，因而是滿足DNV GL規(guī)范要求的。

圖4 工況2時葉根銷應(yīng)力云圖

DNV GL規(guī)范中沒有槳?dú)んw強(qiáng)度計(jì)算的簡易公式，只能采用有限元方法進(jìn)行計(jì)算。圖5是工況1有限元計(jì)算給出的槳?dú)んw等效應(yīng)力云圖，在向后的槳葉失效載荷作用下，槳?dú)んw平面軸承上出現(xiàn)了超過材料屈服強(qiáng)度280 MPa的區(qū)域（靠近槳葉吸力面的紅色區(qū)域），但是該區(qū)域很小，不會對槳?dú)んw造成損傷或有害變形，因而槳?dú)んw強(qiáng)度是可以接受的。

圖5 槳?dú)んw等效應(yīng)力（工況1），最大應(yīng)力650 MPa

與槳?dú)んw類似，在槳葉失效載荷工況 1作用下，曲柄盤倒圓靠近槳葉吸力面的部分區(qū)域，曲柄銷倒圓，滑槽壁（正車）倒圓處，以及滑塊部分區(qū)域的等效應(yīng)力超過了材料的屈服強(qiáng)度，而由應(yīng)力云圖（圖6～圖9）可以看出，該區(qū)域（紅色區(qū)域）很小，僅局限于靠近表面的區(qū)域，因而不至于產(chǎn)生危害，對部件的功能不會產(chǎn)生影響。

圖6 曲柄盤等效應(yīng)力（工況1），最大應(yīng)力1 125 MPa

圖7 曲柄銷等效應(yīng)力（工況1），最大應(yīng)力1 125 MPa

圖8 滑槽等效應(yīng)力（工況1），最大應(yīng)力800 MPa

圖9 滑塊等效應(yīng)力（工況1），最大應(yīng)力500 MPa

從推拉桿的等效應(yīng)力云圖（圖10）可以看出，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在推拉桿根部倒圓處為 394 MPa，沒有超過材料屈服強(qiáng)度 450 MPa，因此槳葉失效載荷不會導(dǎo)致推拉桿損傷，其強(qiáng)度完全滿足DNV GL規(guī)范要求。

圖10 推拉桿等效應(yīng)力（工況1），最大應(yīng)力394 MPa

4 結(jié)論

針對某極地冰區(qū)PC-5級強(qiáng)度設(shè)計(jì)的破冰船調(diào)距裝置，根據(jù)DNV GL規(guī)范采用有限元仿真方法對調(diào)距機(jī)構(gòu)在槳葉失效載荷作用下的強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算，并給出了各部件的等效應(yīng)力云圖，計(jì)算方法和結(jié)果可為冰區(qū)調(diào)距機(jī)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供參考，本文有限元計(jì)算的結(jié)論如下：

1）根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，槳葉吸力面靠近導(dǎo)邊的螺釘應(yīng)力較大，超過了材料的屈服強(qiáng)度，但是按DNV GL規(guī)范計(jì)算公式該螺釘滿足要求，考慮到槳葉失效載荷是基于DNV GL規(guī)范公式的，因此認(rèn)為葉根螺釘強(qiáng)度滿足要求。

2）槳?dú)んw平面軸承部分區(qū)域、曲柄盤倒圓、曲柄銷根部倒圓、滑槽根部倒圓和滑塊部分區(qū)域的等效應(yīng)力大于材料屈服強(qiáng)度，但該區(qū)域都很小僅限于部件表面，不會影響結(jié)構(gòu)的功能性，因而強(qiáng)度可以接受，但設(shè)計(jì)時應(yīng)重視并盡量改善該區(qū)域的應(yīng)力集中。