基座變形與船體殼板的匹配性分析

李 銘，張 政，龔君來

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

0 引言

為了保證船舶設(shè)備的正常運(yùn)行，在進(jìn)行基座設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要求基座自身的強(qiáng)度與剛度滿足要求，還需要使基座剛度與船體殼板相匹配，對于工作載荷大、結(jié)構(gòu)剛度大、精度要求高的基座部位更應(yīng)如此。某船采用舵液壓缸裝置，分別對左舷舵和右舷舵提供作用力，該基座受作用力大，基座變形控制嚴(yán)。

液壓缸基座由兩縱向立板和兩橫向肘板，呈井字形正交組合而成，基座縱向立板和橫向肘板邊緣處有加強(qiáng)板條，液壓缸基座一端與船體殼板焊接，另外一端為面板，該面板與液壓缸設(shè)備采用螺栓連接，作用力通過面板作用于基座上，圖1為該液壓缸基座的基本形式。

假定液壓缸基座端部為剛固，施加工作載荷，計(jì)算所得基座橫向位移為0.45 mm，最大應(yīng)力為78 MPa，位移和應(yīng)力均非常小，基座自身的剛度和強(qiáng)度滿足要求。本文以該液壓缸基座為對象，在滿足自身強(qiáng)度與剛度的前提下，著重分析其與船體殼板的匹配性。

1 原基座設(shè)計(jì)方案

1.1 計(jì)算模型

為了模擬邊界作用，在進(jìn)行有限元模型建立時(shí)，適當(dāng)建立了船體和周圍的大型基座(見圖2)。

1.2 計(jì)算載荷

根據(jù)載荷的不同，計(jì)算載荷分為以下2種:

1)水面，基座僅承受舵的作用載荷，船體不受水壓;

2)水下，基座除了承受舵的作用載荷，船體還承受水壓作用。

1.3 計(jì)算工況

液壓缸裝置的運(yùn)行工況可分為3種，即右舵單獨(dú)作用、左舵單獨(dú)作用及左右舵同時(shí)作用。

1.4 計(jì)算結(jié)果

1.4.1 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

各工況下船體殼板和基座應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表1。

1.4.2 位移計(jì)算結(jié)果

各工況下基座位移計(jì)算結(jié)果見表2。

由表2可知，當(dāng)液壓缸基座與船體殼板一起參與有限元計(jì)算時(shí)，比按照僅將基座端部固定進(jìn)行計(jì)算，位移增加較大，需要對液壓缸與船體殼板進(jìn)行匹配性分析，根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，匹配性分析的目標(biāo)主要是控制原左舷基座位移，同時(shí)對船體殼板進(jìn)行應(yīng)力控制。

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2 匹配性改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

2.1 匹配性改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，初步提出3種匹配性改進(jìn)方案進(jìn)行分析比較，根據(jù)比較結(jié)果選擇改進(jìn)方案。由于是定性比較，有限元計(jì)算時(shí)僅建立了位移較大的左舷基座有限元模型。

1)原設(shè)計(jì)左舷基座

原左舷基座布置在船體殼板內(nèi)表面，其縱向肘板布置在#5～#7肋位間，縱向肘板上開有減輕孔(見圖3)。

2)匹配性改進(jìn)方案一(補(bǔ)板方案)

補(bǔ)板方案是采用同厚度的鋼板將減輕孔封填(見圖4)。

3)匹配性改進(jìn)方案二(補(bǔ)板+肘板方案)

在開孔封填(方案一)的基礎(chǔ)上，將肘板向尾部延長，肘板的端部在縱向上跨過#7號肋位(見圖5)。

4)匹配性改進(jìn)方案三(補(bǔ)板+貼板方案)

在開孔封填(方案一)的基礎(chǔ)上，在基座區(qū)域的船體殼板外進(jìn)行貼板，目的是降低殼板應(yīng)力和變形(見圖6)。

2.2 匹配性改進(jìn)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

對左舷基座的原設(shè)計(jì)方案和3種改進(jìn)方案進(jìn)行計(jì)算，相關(guān)計(jì)算結(jié)果列入表3。

從表3中可以看出，方案一可使基座最大位移下降7.9%，使耐壓殼板的最大表面應(yīng)力下降了9.5%;方案二可使基座最大位移下降12%，使耐壓殼板的最大表面應(yīng)力下降了7.1%;方案三可使基座最大位移下降30.7%，使耐壓殼板的最大表面應(yīng)力的降幅近60%。

2.3 匹配性改進(jìn)方案的確定

通過對第2.2節(jié)的定性分析比較，可知方案三具有較好的匹配性。

圖6 補(bǔ)板+貼板方案(方案三)Fig.6 The project of supply the lack and conjoint shell(No.3 project)

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根據(jù)設(shè)備總體布置情況，在#5～#6肋位間的殼板外表面有基座(見圖2)。故僅在左舷基座對應(yīng)的#6～#7肋位間的船體殼板外表面實(shí)施方案三(見圖7)。

圖7 確定的匹配性改進(jìn)方案Fig.7 The assured improved matching project

3 改進(jìn)方案計(jì)算與比較

3.1 改進(jìn)方案的計(jì)算結(jié)果

按第2.3節(jié)的匹配性改進(jìn)方案，對左右舷基座均進(jìn)行計(jì)算，相關(guān)計(jì)算結(jié)果列于表4和表5。

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3.2 匹配性改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)果對比

將匹配性改進(jìn)設(shè)計(jì)后(表4～表5)與原方案(表1～表2)進(jìn)行對比，列于表6。

通過對表6分析可知，匹配性改進(jìn)后對降低左舷基座橫向位移作用較為明顯，原最大應(yīng)力部位加強(qiáng)后的耐壓殼板應(yīng)力有大幅降低。匹配性改進(jìn)后的最大應(yīng)力部位從左舷基座轉(zhuǎn)至右舷基座，即最大應(yīng)力轉(zhuǎn)至非貼板的船體殼板區(qū)域。

4 結(jié)語

通過對比分析，可以得到以下結(jié)論:

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1)匹配性改進(jìn)設(shè)計(jì)效果明顯。進(jìn)行匹配性改進(jìn)后的方案可以有效降低左舷基座的橫向位移，根據(jù)不同工況降幅可達(dá)31%和26%;匹配性改進(jìn)后，左舵處船體殼板最大主應(yīng)力降幅可達(dá)44.6%(左右舵同時(shí)作用)和40%(左舵單獨(dú)作用)。

2)由于本文的匹配性改進(jìn)區(qū)域僅實(shí)施在左舷基座殼板區(qū)域，故改進(jìn)設(shè)計(jì)后，原發(fā)生在左舷基座殼板處的最大主應(yīng)力轉(zhuǎn)移到了右舷基座殼板處，且右舷基座的位移大小基本無變化，說明匹配性改進(jìn)對基座變形和殼板應(yīng)力控制具有很大影響。

開展基座設(shè)計(jì)時(shí)，基座自身的強(qiáng)度和剛度是首先需要進(jìn)行計(jì)算和校核的。此外，對于受作用載荷大、精度要求高的基座，應(yīng)結(jié)合設(shè)備使用要求，充分考慮基座與其根部船體結(jié)構(gòu)的匹配關(guān)系，需開展剛度與強(qiáng)度估算，必要時(shí)采取相關(guān)的匹配性改進(jìn)措施，確保設(shè)備對基座的安裝要求。

［1］GJB4000-2000，艦船通用規(guī)范［S］.