高速船尾部噴推區域結構設計及強度和振動分析

王海洋，羅 凱，鄭 凱，陳 濤，何 秦，布英磊

(中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

0 引 言

近幾年來，隨著沿海國際形勢的變化，高速船在海軍日常事務處理中扮演著越來越重要的角色。高速船大多采用噴水推進裝置，與傳統螺旋槳推進相比，噴水推進裝置具有卓越的高速機動性，在回轉時噴水推進裝置產生的側向力可使回轉半徑更小[1-2]。噴水推進在高航速船上具有更高的效率、更低的噪聲，但目前國內在噴推區域的船體結構加強經驗尚少。由于噴水推進裝置需在船體尾封板上開大口，而且由噴水推進泵內產生的水力激振力會影響船體的局部強度及振動，進而影響船體結構設計，所以高速船尾部局部強度及振動問題逐漸引起了船舶設計者的關注[3-4]。

王小二等[5]針對某新型高速巡邏艇運用CFD方法對噴泵的進水流道進行了數值模擬；胡彬彬等[6]研究船體與噴水推進裝置的相互作用，探求噴水推進裝置對船體自航因子的影響；羅燦等[7]采用計算流體動力學分析軟件CFX對船用噴水推進裝置在各流量工況下的運行情況進行了數值模擬。由于高速船舶尾部采用噴水推進裝置的特殊性，其尾部局部強度及振動問題值得深入研究。

本文建立了某高速船船體尾部包含噴水推進泵在內的有限元模型，不僅考慮噴泵在各個工況下的產生噴水作用載荷，還考慮了包括船底波浪沖擊壓力、舷側波浪壓力、甲板載荷、水密艙壁的壓力等在內的船體設計載荷的綜合作用，根據中國船級社頒發的《海警艦船設計建造規范》（2016）[8]，并參考《鋼質海船入級規范》（2015）[9]、《船上振動控制指南》（2012）[10]進行尾部強度及振動校核，找出危險工作工況，對結果進行分析，從而為船體結構設計提供技術支撐。

1 噴推區域結構設計

1.1 噴推裝置介紹

本文計算對象為某高速船，總長約108 m，船寬14.4 m，型深5.8 m，滿載排水量約2000 t，最大航速為32 kn，動力型式采用4泵噴水推進，噴水推進裝置布置圖如圖1所示。噴水推進裝置在尾封板上通過加強圈與流道采用螺栓連接起來，并保證水密，如圖2所示，噴泵里面的螺旋槳轉速為603.6 r/min，5葉槳。

圖 1 噴推裝置布置簡圖Fig. 1 Layout sketch of water-jet apparatus

圖 2 螺栓連接示意圖Fig. 2 Sketch of bolted connections

1.2 流道加強結構設計

流道在FR188至船尾通過直徑50 mm的圓鋼與船體外板焊接，流道厚度比連接的船體外板厚2 mm。根據流道線型，在流道中縱剖面設置一道中縱桁，往兩邊各均勻布置3道縱向加強筋，如圖3所示；橫向在每個肋位處設置強肋骨，以承受流道內液體流動產生的壓力，各個流道之間均設置1道中縱桁，如圖4所示。

圖 3 流道結構縱向加強Fig. 3 Structure reinforcing of longitudinal channel structure

圖 4 流道結構橫框架加強Fig. 4 Structure reinforcing of transversal channel structure

1.3 尾封板加強結構設計

尾封板上由于噴泵的原因，有4個直徑1.5 m的圓形開口，相應地進行環形加強結構設計，尾封板厚度適當加厚，尾封板加強如圖5所示。

圖 5 尾封板上噴推開口區域結構加強Fig. 5 Structure reinforcing of opening area

2 有限元模型

該船尾部的三維有限元模型如圖6和圖7所示，主要由殼單元、梁單元、桿單元組成。

圖 6 尾部流道處有限元模型Fig. 6 Finite element model of channel area

圖 7 尾封板處有限元模型Fig. 7 Finite element model of stern transom plate area

尾部有限元模型范圍縱向取船尾至FR176橫艙壁之間，左右舷模型均建出，垂向從船底到01甲板。

模型單元劃分：甲板板、艙壁板和外板主要采用殼單元模擬；縱骨及扶強材用梁元模擬，強橫梁、縱桁腹板用殼單元模擬，面板用梁單元模擬。

模型運動和位移坐標系正向是x軸指向船首，y軸指向左舷，z軸向上。

3 設計載荷

3.1 傳統船體設計載荷

通過計算可以得到船體計算載荷，其中包括船體構架受到的船底波浪沖擊載荷、舷側計算載荷、甲板載荷、艙壁載荷等，該過程主要依據中國船級社（CCS）《海警艦船設計建造規范》2016年版第11章第3節內容進行。其中主要的載荷船底波浪沖擊載荷、舷側計算載荷計算結果如表1。

表 1 船底波浪沖擊壓力計算Tab. 1 Wave pressure of hull bottom

表 2 船體舷側設計載荷部分位置計算Tab. 2 Design loads of hull broadside

3.2 噴推作用載荷

尾封板上每根噴水推進裝置在船舶運行時會造成噴水作用力和力矩。根據船舶的不同運動工況，具體數值如表3所示。坐標軸方向同船體坐標系。多點約束（MPC）用于確保加載力和力矩均勻分布在模型的加載區域。MPC點創建在尾封板上，噴水推進力和力矩應用于MPC點上。

4 尾部局部強度及振動分析

根據設計載荷的計算結果，通過有限元軟件MSC.Patran加載到船體有限元模型中，并加入邊界條件。利用MSC.Nastran軟件進行計算，根據相應衡準對各個工況下的尾部局部強度及振動強度進行校核及分析。

表 3 不同運動工況下噴水作用載荷Tab. 3 Sprinkling loads under different operating conditions

4.1 邊界條件及應力衡準

邊界條件：FR176橫艙壁處剛固，有限元模型邊界條件如圖8所示。

圖 8 有限元模型邊界條件Fig. 8 Boundary conditions of finite element models

局部強度計算的構件應力應不大于表4所示值。主船體和甲板室的板材采用D36高強度鋼板（σs≥355 MPa），內圍壁板和型材采用船體用CCSB級鋼（σs≥235 MPa）。故梁、桿單元的許用等效應力根據材料不同分為259 MPa和172 MPa。

表 4 應力衡準表Tab. 4 Stress criterion

表 5 各運動狀態下局部強度計算及校核表Tab. 5 Local strength under different motion states

4.2 尾部局部強度計算

由于采用噴水推進裝置，故在船體尾部結構模型上，除了考慮船體骨架設計載荷外，還應重點考慮噴水作用載荷。分別對5個不同運動狀態下的工況進行強度計算，得到局部強度計算結果如表5所示。5種不同的運動狀態下，LC4（100%功率緊急停船）下的噴水推進力和力矩最大。

經過有限元模型計算，各工況尾封板區域較其它船體結構構件應力小，合成應力最大為73.4 MPa左右；最大板單元等效應力集中在底部肋骨處，最大板單元剪應力集中在底部肋骨及舷側處，最大梁單元等效應力集中在中內龍骨及旁內龍骨處。各應力值均小于許用值，滿足衡準要求。

LC4尾部板單元等效應力云圖如圖9所示。

圖 9 LC4尾部板單元應力云圖Fig. 9 Element stress nephogram of stern area

LC4尾封板板單元等效應力云圖如圖10所示。

圖 10 LC4尾封板板單元應力云圖Fig. 10 Element stress nephogram of stern transom plate

4.3 尾部局部振動計算

邊界條件在FR176橫艙壁處剛固，并考慮附連水質量，進行振動計算，校核衡準依據《船上振動控制指南》（2012）第15章內容進行。

尾部振動計算結果如表6所示。

表 6 尾部結構固有頻率計算結果Tab. 6 Natural frequency of stern structure

尾部垂向1階固有振型云圖如圖11所示。

圖 11 垂向1階振型云圖Fig. 11 Vertical first order modal nephogram

尾部垂向2階固有振型云圖如圖12所示。

圖 12 垂向2階振型云圖Fig. 12 Vertical second order modal nephogram

尾部扭轉1階固有振型云圖如圖13所示。

尾封板板架振動計算結果如表7所示。

尾封板板架1階固有振形云圖如圖14所示。

圖 13 扭轉1階振型云圖Fig. 13 Torsional first order modal nephogram

表 7 尾封板結構固有頻率計算結果Tab. 7 Natural frequency of stern transom plate

圖 14 尾封板板架振型云圖Fig. 14 Modal nephogram of stern transom plate

從上述尾部振動計算結果來看，尾部垂向及扭轉固有頻率、尾封板板架固有頻率均與主要激勵頻率有較大程度的錯開（滿足8%～10%），不會發生共振情況。另外，本船推進型式采用噴水推進，螺旋槳不同于常規螺旋槳那樣完全暴露在海水里，螺旋槳槳葉放置在流道里，水流及流速較為均勻，可以更好地減小產生振動的概率，對結構強度也更為有利。

5 結 語

本文針對某高速船尾部噴水推進裝置的局部強度及振動問題進行了計算，經分析可以得出以下結論：

1）由于噴推裝置流道內水流均勻，產生的噴推力較為恒定，雖然尾封板上有較大開口，且流道線型獨特，但尾封板的應力值小于船底板、舷側板等部位構件的應力值，說明采用噴推裝置，對于高速船無論在快速性、操縱性等方面較為優越，在結構受力方面也同樣有較好的表現；

2）由尾部強度計算結果可以看出，噴推區域加強結構的應力水平滿足設計要求，說明加強結構設計合理，可以對該類型噴泵裝置的裝艦提供結構設計方面的參考價值；

3）盡管該高速船船體尾部強度滿足規范標準，但某些構件例如舷側肋骨、底部肋骨的應力水平仍較大，在后續類似船型進行結構設計時，需引起注意。