某破冰船調距機構有限元強度計算

劉愛兵，周林慧，劉莉莉，田忠殿

（上海船舶設備研究所，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、漁業等資源陸續被發現，以及極地在軍事上的戰略意義，各國對極地的科學研究和開發日趨重視和活躍。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輸載體[1-2]。

調距槳可以為船舶提供良好的操縱性和較大推力，因此很多冰區航行船舶和破冰船都采用了調距槳[3]。目前，調距機構強度設計主要是參照船級社規范，DNV GL船級社經過多年的研究積累，發展出較完善的冰區調距機構強度計算方法，并包含到其規范中[4-5]。本文根據DNV GL極地冰區強度計算規范，采用有限元方法計算了在槳葉失效冰載作用下按極地冰區PC-5級強度設計的某破冰船調距機構的強度。

1 槳葉失效冰載計算

DNV GL規范要求調距機構必須滿足“金子塔強度設計原則”，即在槳葉失效載荷作用下不能導致調距機構的失效。這就要求調距機構中的名義等效應力不能超過部件材料的最小屈服強度，即調距機構的強度安全系數不小于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；為參考應力。

2 網格劃分和載荷施加

調距機構強度計算采用有限元方法，在調距機構三維建模上劃分有限元網格。考慮到計算時間及精度，網格在應力梯度較大的倒圓區域進行了加密，應力梯度較小的區域網格較稀疏。接觸面之間采用映射網格以保證接觸面的配合[6]。對于油潤滑接觸面，取摩擦系數為0.1。網格包含約16萬個10節點的四面體單元和20節點的六面體單元，總共約25萬個節點。調距機構網格劃分如圖1所示。

圖1 調距機構網格劃分

將失效載荷施加在槳葉 0.8R（R為槳葉半徑）偏離轉葉軸一定距離處，該距離為轉葉軸至導邊或隨邊距離的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%設計螺距位置），載荷施加如圖2所示。在推拉桿的端部設置為固定約束。

表1 失效載荷施加位置

圖2 失效載荷施加示意圖

3 強度仿真結果

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

圖3 葉根螺釘等效應力

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

圖4 工況2時葉根銷應力云圖

DNV GL規范中沒有槳殼體強度計算的簡易公式，只能采用有限元方法進行計算。圖5是工況1有限元計算給出的槳殼體等效應力云圖，在向后的槳葉失效載荷作用下，槳殼體平面軸承上出現了超過材料屈服強度280 MPa的區域（靠近槳葉吸力面的紅色區域），但是該區域很小，不會對槳殼體造成損傷或有害變形，因而槳殼體強度是可以接受的。

圖5 槳殼體等效應力（工況1），最大應力650 MPa

與槳殼體類似，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域，曲柄銷倒圓，滑槽壁（正車）倒圓處，以及滑塊部分區域的等效應力超過了材料的屈服強度，而由應力云圖（圖6～圖9）可以看出，該區域（紅色區域）很小，僅局限于靠近表面的區域，因而不至于產生危害，對部件的功能不會產生影響。

圖6 曲柄盤等效應力（工況1），最大應力1 125 MPa

圖7 曲柄銷等效應力（工況1），最大應力1 125 MPa

圖8 滑槽等效應力（工況1），最大應力800 MPa

圖9 滑塊等效應力（工況1），最大應力500 MPa

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

圖10 推拉桿等效應力（工況1），最大應力394 MPa

4 結論

針對某極地冰區PC-5級強度設計的破冰船調距裝置，根據DNV GL規范采用有限元仿真方法對調距機構在槳葉失效載荷作用下的強度進行了計算，并給出了各部件的等效應力云圖，計算方法和結果可為冰區調距機構強度設計提供參考，本文有限元計算的結論如下：

1）根據有限元計算結果，槳葉吸力面靠近導邊的螺釘應力較大，超過了材料的屈服強度，但是按DNV GL規范計算公式該螺釘滿足要求，考慮到槳葉失效載荷是基于DNV GL規范公式的，因此認為葉根螺釘強度滿足要求。

2）槳殼體平面軸承部分區域、曲柄盤倒圓、曲柄銷根部倒圓、滑槽根部倒圓和滑塊部分區域的等效應力大于材料屈服強度，但該區域都很小僅限于部件表面，不會影響結構的功能性，因而強度可以接受，但設計時應重視并盡量改善該區域的應力集中。