40 600 dwt散貨船舵的直接設(shè)計(jì)

夏小浩, 孫風(fēng)景

(1.揚(yáng)帆集團(tuán)股份有限公司， 浙江 舟山 316100； 2.浙江海洋學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院， 浙江 舟山 316004)

40 600 dwt散貨船舵的直接設(shè)計(jì)

夏小浩1, 孫風(fēng)景2

(1.揚(yáng)帆集團(tuán)股份有限公司， 浙江 舟山 316100； 2.浙江海洋學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院， 浙江 舟山 316004)

在舵的設(shè)計(jì)過程中，為了使舵滿足規(guī)格要求，使舵與船能更好地匹配，采用了直接計(jì)算法確定半懸掛平衡舵的構(gòu)件尺寸，并對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行校核。

半懸掛平衡舵 直接計(jì)算法 強(qiáng)度校核

1 前言

船舵的類型按舵的支撐情況可分為雙支點(diǎn)舵、半懸舵和懸掛舵；按舵面積和轉(zhuǎn)動(dòng)軸的相對(duì)位置可分為普通舵、平衡舵和半平衡舵。各國(guó)船級(jí)社對(duì)不同舵都規(guī)定了詳細(xì)的相應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)范，在舵的計(jì)算中將舵視為一根簡(jiǎn)梁，將尾框底骨簡(jiǎn)化為彈性支座，將舵葉上的舵力轉(zhuǎn)化為均布載荷施加在簡(jiǎn)梁上。揚(yáng)帆造船廠設(shè)計(jì)的40 600 dwt散貨船，船長(zhǎng)為179.99 m，設(shè)計(jì)吃水為10.7 m，最大服務(wù)航速為14.7 kn，最小服務(wù)航速為7.35 kn，滿足散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范。本文將針對(duì)該型船的雙平板半懸掛平衡舵，采用直接計(jì)算法對(duì)舵進(jìn)行構(gòu)件尺寸和強(qiáng)度校核。該舵包括兩個(gè)舵桿軸承和一個(gè)彈性舵銷軸承，其模型如圖1所示，舵葉剖面為哥丁根翼型如圖2所示。

圖1 雙平板舵

圖2 哥丁根翼型舵葉剖面

2 舵葉幾何參數(shù)和作用在舵葉上力的確定

2.1 舵葉幾何參數(shù)的確定

根據(jù)有切口的舵葉計(jì)算規(guī)范，相應(yīng)部分舵葉面積的平均寬度b和平均高度c計(jì)算為

式中：x、z為坐標(biāo)值，單位為m。如圖3所示，舵葉面積A應(yīng)分成兩個(gè)面積為A1和A2的矩形或梯形，A=A1+A2；A1F，A2F，兩部分舵葉面積可由x、z坐標(biāo)值(見圖4)計(jì)算得出。At為在平均高度范圍內(nèi)，舵葉面積A和舵柱或掛舵臂面積之和。舵葉各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值如表1所示，舵葉幾何參數(shù)記算結(jié)果如表2所示。

圖3 舵葉面積

圖4 舵葉節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)

表1 舵葉節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值

表2 舵葉幾何參數(shù)

2.2 確定舵葉板厚度

舵葉板厚為tF，單位為mm，根據(jù)規(guī)范舵葉板厚按照下式計(jì)算：

式中系數(shù)β為

式中：S為舵板格的短邊長(zhǎng)度；bL為舵板格的長(zhǎng)邊長(zhǎng)度，單位都為m。

舵葉板平面分布如圖5所示，各舵葉平面厚度計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖5 舵葉板平面分布

圖6 舵葉板厚度值

2.3 舵葉上的力計(jì)算

按規(guī)范作用在舵葉上的力CR(N)由下式得到：

式中:nR為航區(qū)系數(shù),v和系數(shù)r1、r2、r3取決于所考慮的情況。作用于A1和A2部分的舵力CR1和CR2分別由下式得到：

船舶在正車和倒車時(shí)對(duì)應(yīng)于CR1和CR2的力臂r1和r2由下式來計(jì)算：

相應(yīng)系數(shù)α可由規(guī)范查得，表3為計(jì)算結(jié)果。

表3 舵力和相應(yīng)力臂結(jié)果

3 舵桿上的載荷和直徑直接計(jì)算

3.1 舵桿上的載荷計(jì)算

如圖7所示，L1、L2、L3、L4為舵葉與舵桿長(zhǎng)度；I1、I2為舵結(jié)構(gòu)水平剖面慣性矩；I3為下舵承處舵桿水平剖面慣性矩；I4為下舵承與上舵承間舵桿水平剖面慣性矩。具體參數(shù)如下：

L1=4.315 m，L2=3.085 m，

L3=0.229 m，L4=4.163 m；

I1=374 854 cm4，I2=902 356 cm4，

I3=65 597 cm4，I4=82 448 cm4。

圖7 舵桿載荷計(jì)算模型

根據(jù)規(guī)范作用在舵桿上的載荷p1,p2應(yīng)按下式計(jì)算：

設(shè)A點(diǎn)位移為UA；B點(diǎn)位移為UB、彎矩為MB，剪切力為QR；C點(diǎn)位移為UC、彎矩為MC；D點(diǎn)彎矩為MD。

由D點(diǎn)轉(zhuǎn)角相等得

由C點(diǎn)轉(zhuǎn)角相等得

由B點(diǎn)支持力KUB及均布力p1、p2對(duì)點(diǎn)C取矩可得

由B點(diǎn)支持力KUB及均布力p1、p2對(duì)點(diǎn)D取矩可得

舵桿三個(gè)支點(diǎn)的力分別為FA1、FA2和FA3，則有：

K為掛舵臂的支承彈簧常數(shù)，由公式得

式中：Lh為掛舵臂長(zhǎng)度；Ih為掛舵臂水平剖面慣性矩；e為舵桿中心線至掛舵臂中心線距離；Aa為掛舵臂的平均截面積；ui為形成掛舵臂平均截面積的各塊板的寬度；ti為各塊板的寬度范圍內(nèi)相應(yīng)的厚度。

對(duì)應(yīng)于A1和A2的扭矩MTR1和MTR2分別由下式得到：

正車和倒車時(shí)，作用于舵桿上的扭矩，由下式得到：

聯(lián)合上列各式和規(guī)范中的相關(guān)公式可求得舵桿上的載荷，如表4所示。

表4 舵桿載荷計(jì)算結(jié)果

3.2 舵桿直徑的確定和強(qiáng)度校核

(1) 下舵承處舵桿直徑。

舵桿材料系數(shù)K1=0.79，舵柄處舵桿直徑：

下舵承處舵桿直徑：

其中舵桿扭矩T=MTR，代入數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果如表5所示。

(2) 校核下舵承處的舵桿強(qiáng)度。

正應(yīng)力：

切應(yīng)力：

等效應(yīng)力：

通過計(jì)算舵桿各應(yīng)力值如表6所示。

表5 舵桿直徑

表6 舵桿應(yīng)力值

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 本船舵采用雙平板舵，每個(gè)舵葉板厚度都是一致的，根據(jù)規(guī)范計(jì)算得出在靠近尾框底骨的舵葉板厚度最大，為30 mm。

(2) 從舵桿應(yīng)力計(jì)算結(jié)果中可以看出σe﹥[σe]，由此表明舵桿不滿足規(guī)范要求。為了滿足規(guī)范要求，綜合材料等各方面因素最終確定下舵承舵桿直徑為340 mm，上舵承舵桿直徑為360 mm。

[1] 劉奇龍. 單舵銷半懸掛舵載荷計(jì)算[J]. 造船技術(shù),2006,01:31-33.

[2] 唐寧生. 舵系的直接計(jì)算法[J]. 船舶,2004,03:49-53.

[3] 唐軍. 舵桿的直經(jīng)=f(KS,T,M)[J]. 船舶設(shè)計(jì)通訊,2002,3:53-61.

[4] 中國(guó)船級(jí)社.鋼制海船入級(jí)規(guī)范[S]. 2012.

[5] 法國(guó)船級(jí)社.鋼制海船入級(jí)規(guī)范[S]. 2013.

The Direct Design of Rudder on 40 600 dwt Bulk Carrier

XIA Xiao-hao1， SUN Feng-jing2

(1. Yangfan Group Corporation Limited, Zhoushan Zhejiang 316100, China; 2. School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Zhejiang Ocean University, Zhoushan Zhejiang 316004, China)

In order to meet the specification requirements of rudder and reach a better match of rudder and ship, a direct design of rudder on 40 600 dwt bulk carrier is provided in this article. The scantlings of semi-mounted balanced rudder are determined by direct calculation method, and then the strength is checked.

Semi-mounted balanced rudder Direct calculation method Strength check

夏小浩(1976-)，男，工程師。

U662

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