基于Solidworks的新型半下沉水密上舵承強(qiáng)度分析

摘" " 要：高效舵在保證船舶操縱性之外，具有更小的阻力并能提高船舶推進(jìn)效率。本文提出一種適用于高效舵系統(tǒng)的半下沉式水密上舵承，使用軟件Solidworks/Simulation對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行整機(jī)建模及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析。仿真結(jié)果表明，半下沉式水密上舵承各零部件強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及使用要求，為同類(lèi)型半下沉式水密上舵承的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，提供了重要指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：半下沉水密上舵承；有限元分析；Solidworks/Simulation

中圖分類(lèi)號(hào)：U664.4" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Strength Analysis of New Semi-Sunken Watertight Upper Rudder Carrier Based on Solidworks

CHEN Zhuang1，" GAO Peng2，" LI Ming2，" XU Detao1，" ZHAO Wenbin1

（ 1. Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute， Shanghai 201203;" 2. Shanghai Haifeng Ship Management Co.， Ltd.，" Shanghai 201210）

Abstract： Efficient rudder has less resistance and can improve the propulsion efficiency of ships besides ensuring ship maneuverability. This paper proposes a semi-sunken watertight upper rudder carrier suitable for efficient rudder system. Use software Solidworks/Simulation to model the whole machine and analyze the structural strength of the whole machine. The simulation results show that the strength of each part of the new semi-sunken watertight upper rudder carrier meets the design and use requirements. The simulation results provide important guidance for structure lightweight design of the same type of new semi-sunken watertight upper rudder carrier.

Key words： semi-sunken watertight upper rudder carrier;" finite element analysis;" Solidworks/Simulation

1" " 前言

舵系是用于改變或者保持船舶航行方向的重要設(shè)備，主要由舵葉、舵桿、上舵承和下舵承等構(gòu)成。其中，上舵承主要承受作用在舵葉水動(dòng)力引起的徑向載荷及由舵系重力引起的軸向載荷，是確保舵系安全工作的重要構(gòu)件。

近年來(lái)，高效舵越來(lái)越受到船東的青睞。目前的高效舵產(chǎn)品，通常是舵葉、舵桿、舵桿套筒、上舵承和下舵承一體設(shè)計(jì)、制造和安裝。常規(guī)的國(guó)標(biāo)平面摩擦水密上舵承尺寸很大，使用常規(guī)的上舵承往往需要船廠現(xiàn)場(chǎng)鏜孔[1]，如圖1所示。

目前的高效舵通常配下沉式上舵承，下沉式上舵承本體嵌在舵桿套筒中以保證同軸度，對(duì)套筒、舵桿、上舵承的安裝精度提出了極高的要求，安裝難度非常高，如圖2所示。

針對(duì)這兩種上舵承適配高效舵時(shí)存在的問(wèn)題，上海船舶研究設(shè)計(jì)院開(kāi)發(fā)了一種適用于高效舵系統(tǒng)、安裝維護(hù)方便的半下沉式水密上舵承，并使用軟件Solidworks/Simulink對(duì)產(chǎn)品整機(jī)進(jìn)行了建模及結(jié)構(gòu)有限元分析[2]，以保證此上舵承在使用過(guò)程中的可靠性。

2" " 半下沉式水密上舵承工作原理

半下沉式水密上舵承，其本體內(nèi)側(cè)設(shè)置有襯套承受徑向載荷，本體上端固定有摩擦片及舵承架承受舵系軸向載荷，舵承本體中間凸緣內(nèi)嵌于舵套筒輔助舵承本體定位，舵承本體通過(guò)雙頭螺柱固定于舵套筒端部。此上舵承安裝簡(jiǎn)單，更換密襯套時(shí)只需將舵承本體吊出本體下沉深度，吊出舵承本體拆卸后即可完成襯套更換。半下沉式上舵承安裝布置，如圖3所示。

3" " 半下沉式水密上舵承受力分析

對(duì)于帶套筒懸掛舵系，上舵承本體內(nèi)嵌于懸掛舵套筒端部且通過(guò)雙頭螺柱緊固于懸掛舵套筒端部，本體外周均勻分布一定數(shù)量的止推塊，止推塊直接焊接在舵機(jī)艙甲板上，止推塊及雙頭螺柱承受由于舵葉水動(dòng)力引起的徑向載荷，內(nèi)嵌于舵桿的上舵承架則用于承受舵系重力。

本文以某1 800 TEU支線集裝箱船高效舵適配的半下沉式水密上舵承為分析對(duì)象，其承受由舵系重力引起的軸向載荷及作用在舵葉上水動(dòng)力引起的徑向載荷B3，如圖4所示。其中，軸向載荷包括舵桿、舵葉、舵葉連接體、舵葉液壓螺母及舵柄等組件的重力，共約50 t；徑向載荷B3根據(jù)船級(jí)社規(guī)范計(jì)算如下：

B3 =（MB - MB1）/（L20 + L30）" " " " " " " " " " " " " " " （1）

MB = CR2（L10 - CG2Z）" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

MB1 = CR1（CG1Z - L10）" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（3）

式中：CR1—舵葉面積A1內(nèi)的水動(dòng)力；

CR2—舵葉面積A2內(nèi)的水動(dòng)力；

L10—下舵承作用中心點(diǎn)到舵葉下底板的垂直距離；

L20—下舵承作用中心點(diǎn)到舵葉上頂板的垂直距離；

L30—上舵承作用中心點(diǎn)到舵葉上頂板的垂直距離；

CG1Z—舵葉面積A1的重心的垂直位置；

CG2Z—舵葉面積A2的重心的垂直位置。

將各參數(shù)值代入公式（1）、（2）、（3）中，可得上舵承徑向載荷B3約為B3 = 455 kN。計(jì)算出上舵承所受軸向力值及徑向力值后，對(duì)其整機(jī)進(jìn)行三維建模及強(qiáng)度有限元分析。

4" " 半下沉式水密上舵承模型建立

根據(jù)初步設(shè)計(jì)參數(shù)，使用軟件Solidworks建立半下沉式水密上舵承主要零部件模型，包括舵承本體、舵承架、摩擦片、襯套、舵承架連接螺栓螺母、舵承本體連接螺栓螺母、舵承本體與套筒端部法蘭連接雙頭螺柱螺母及本體止推塊，為簡(jiǎn)化仿真模型，將套筒端部法蘭與舵機(jī)艙舵機(jī)安裝處局部甲板區(qū)域組合為單一零部件；在上舵承各零部件建模完成后，在Solidworks 中完成半下沉式水密上舵承的裝配，圖5為上舵承三維模型裝配圖。

5" " Solidworks/Simulation有限元分析

裝配模型搭建完成后，使用Soliworks/ Simulation模塊對(duì)上舵承整機(jī)進(jìn)行有限元分析：

5.1" "材料屬性設(shè)置

上舵承各部件及套筒法蘭零部件的材料型號(hào)及屬性參數(shù)，如表1所示。

5.2" 接觸約束設(shè)置

Solidworks/Simulation 零部件接觸選項(xiàng)用于定義零部件之間相互連接的方式，可選的選項(xiàng)有接合、允許貫通和無(wú)穿透。其中：接合為默認(rèn)選項(xiàng)，當(dāng)模型零部件之間接觸面可以合并在一起視為一個(gè)整體時(shí)，選擇該項(xiàng)；允許貫通，當(dāng)裝配體是由一組獨(dú)立零件構(gòu)成，且相互之間沒(méi)有結(jié)構(gòu)上的連接時(shí)，選擇該項(xiàng)；無(wú)穿透，當(dāng)零部件之間接觸面可以相互分離，但不能彼此滲透對(duì)方時(shí)，選擇該項(xiàng)；在零部件接觸的屬性管理器中，可以設(shè)置接觸面的摩擦因素的大小。

由于本上舵承各零部件之間均有結(jié)構(gòu)上的連接，且彼此不能相互滲透及干涉，所以理論上各零部件間接觸約束應(yīng)設(shè)置為無(wú)穿透，考慮到合理的接觸約束設(shè)置可以很大程度的減少仿真時(shí)間，提高仿真效率，因此在不影響仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，可以將部分零部件接觸面解除約束設(shè)置為接合選項(xiàng)，所以本上舵承仿真算例的零部件接觸約束設(shè)置為：上舵承裝配體全局，接觸為接合；需特別分析接觸面及影響仿真結(jié)果的接觸面，設(shè)置為無(wú)穿透，如上舵承本體與舵機(jī)艙甲板接觸面、上舵承本體與止推塊接觸面、止推塊與止推座接觸面、上舵承本體兩半體接觸面、上舵承架兩半體接觸面、螺栓及螺母與其固定件的接觸面等。

5.3" "夾具設(shè)置

根據(jù)上舵承實(shí)船安裝及焊接固定情況，設(shè)置上舵承裝配體固定面為止推座底部焊接面及套筒法蘭與舵機(jī)艙甲板焊接面。

5.4" "外部載荷設(shè)置

根據(jù)上舵承的實(shí)船受力，分別設(shè)置作用在舵承架局部環(huán)形區(qū)域上的舵系重力、作用在襯套上部區(qū)域的徑向載荷（考慮安全余量安全系數(shù)設(shè)定為2）、舵承架連接螺栓和本體連接螺栓的預(yù)緊力、雙頭螺柱的預(yù)緊力及模型整體重力參數(shù)。

5.5" "網(wǎng)格設(shè)置

模型網(wǎng)格數(shù)量直接決定了仿真精度度及仿真時(shí)間，較多的網(wǎng)格會(huì)得到較高的仿真精度，但同時(shí)也會(huì)增加仿真時(shí)間，因此根據(jù)模型零部件尺寸大小及接觸面關(guān)鍵程度，對(duì)裝配體模型進(jìn)行特定網(wǎng)格劃分是比較好的選擇：本裝配體模型對(duì)襯套、摩擦片、連接螺栓及螺母、固定螺柱及螺母、止推塊楔塊、舵承本體與楔塊接觸面，進(jìn)行了較細(xì)的網(wǎng)格劃分；對(duì)舵承架、舵承本體主體、止推座及套筒法蘭根據(jù)零部件尺寸，做了相對(duì)粗糙的網(wǎng)格劃分。整個(gè)裝配體模型網(wǎng)格單元總數(shù)控制在15～20萬(wàn)之間，如圖6所示。

5.6" "仿真結(jié)果分析

設(shè)置靜應(yīng)力類(lèi)型及仿真算例解算器類(lèi)型等參數(shù)，啟動(dòng)仿真程序，上舵承整機(jī)應(yīng)力有限元分析結(jié)果，如圖7所示。

由圖7應(yīng)力云圖可知：上舵承裝配體整機(jī)應(yīng)力大值集中在雙頭螺柱螺母處，應(yīng)力最大值約為310 MPa；對(duì)裝配體重要零部件應(yīng)力數(shù)據(jù)單獨(dú)分析，以進(jìn)一步分析并優(yōu)化上舵承各零部件，結(jié)果如下：

1）舵承本體應(yīng)力有限元結(jié)果，如圖8、圖9所示。由圖8、圖9可知，受徑向載荷作用一側(cè)，舵承本體應(yīng)力較另一側(cè)舵承本體應(yīng)力大，應(yīng)力主要集中于雙頭螺柱通孔周邊，最大值約為213 MPa，即舵承本體強(qiáng)度滿(mǎn)足使用要求；

2）舵承架應(yīng)力有限元結(jié)果，如圖10、圖11所示。舵承架主要承受舵系重力，由圖10、圖11可知，舵承架應(yīng)力集中于連接螺栓通孔區(qū)域，最大值約為114 MPa，即舵承架強(qiáng)度滿(mǎn)足使用要求；

3）襯套應(yīng)力有限元結(jié)果，如圖12所示。考慮到實(shí)際工況下襯套的受力特點(diǎn)，將徑向載荷施加于襯套上端局部區(qū)域，由圖12可知，襯套應(yīng)力主要集中于縱向、橫向潤(rùn)滑槽周邊，最大值約為38 MPa，即襯套強(qiáng)度滿(mǎn)足使用要求。

4）止推塊應(yīng)力有限元結(jié)果，如圖13所示。由圖13可知。受徑向載荷作用一側(cè)止推塊應(yīng)力較另一側(cè)止推塊應(yīng)力大，應(yīng)力主要集中于楔塊于舵承本體接觸面，最大值約為179 MPa，即止推塊強(qiáng)度滿(mǎn)足使用要求；

5）套筒法蘭應(yīng)力有限元結(jié)果，如圖14所示。由圖14可知，法蘭端面應(yīng)力主要集中于止推塊固定處，最大值約為71 MPa，即套筒法蘭強(qiáng)度滿(mǎn)足使用要求；

6）雙頭螺柱應(yīng)力有限元結(jié)果，如圖15所示。由圖15可知，與徑向載荷方向相反的雙頭螺柱由于受到傾覆力矩作用，應(yīng)力較為集中，最大值約為165 MPa，即雙頭螺柱強(qiáng)度滿(mǎn)足使用要求。

6" " 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)上舵承及全下沉式上舵承適配高效舵時(shí)存在的安裝維護(hù)、成本控制等問(wèn)題，本文提出了一種成本低、安裝維護(hù)方便的半下沉式水密上舵承，并使用三維軟件Solidworks/Simulation對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了整機(jī)建模及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析。仿真結(jié)果表明，此半下沉式水密上舵承各零部件強(qiáng)度滿(mǎn)足使用要求。為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，下一步的工作重點(diǎn)將圍繞不同螺栓預(yù)緊力對(duì)上舵承強(qiáng)度的影響及上舵承整體輕量化設(shè)計(jì)等方面展開(kāi)。

參考文獻(xiàn)

[1]中國(guó)造船工程學(xué)會(huì)，中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司，中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司. 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社， 2013.

[2]魏崢，趙功，宋曉明. Solid Works 設(shè)計(jì)與應(yīng)用教程[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，" 2009.