基于温度及舵力作用的舵叶与舵杆间隙分析_许磊.pdf

技术交流 Technical Communication 2023/3 船舶标准化工程师 63 基于温度及舵力作用的 舵叶与舵杆间隙分析基于温度及舵力作用的 舵叶与舵杆间隙分析1 1 许 磊，唐 旭，徐苏华，吴振业（南通远洋船舶配套有限公司，江苏南通 226000）摘 要：摘 要：为保证舵叶、舵杆的各项性能达到预期效果，基于某型集装箱船，对舵叶所受舵力进行计算，并对其在舵力作用下的受力情况进行分析。根据相关规范要求，对舵叶与舵杆结构的间隙进行校核，并计算舵杆在温度影响下的位移情况。研究表明：应力最大值出现在舵叶与舵杆配合处，温度对舵杆的位移有较大影响。研究成果可为舵叶与舵杆的设计提供一定参考。关键词：关键词：舵叶；舵杆；间隙 中图分类号：中图分类号：U674.134 文献标志码：文献标志码：A DOI：10.14141/j.31-1981.2023.03.016 Analysis of Clearance Between Rudder Blade and Rudder Stock Based on Temperature and Rudder Force XU Lei,TANG Xu,XU Suhua,WU Zhengye(Nantong Ocean Ship Equipment Co.,Ltd.,Nantong 226000,Jiangsu,China)Abstract:In order to ensure that the various properties of the rudder blade and rudder stock achieve the desired effect,based on a container ship,the rudder force acting on the rudder blade is calculated,and its stress situation under the action of the rudder force is analyzed.According to relevant specifications,the clearance between the rudder blade and the rudder stock structure is checked,and the displacement of the rudder stock under the influence of temperature is calculated.The research shows that the maximum stress occurs at the joint between the rudder blade and the rudder stock,and temperature has a significant impact on the displacement of the rudder stock.The research results can provide some references for the design of rudder blades and rudder stock.Key words:rudder blade;rudder stock;clearance 作者简介：许 磊（1983），男，助理工程师。研究方向：船舶与海洋工程。0 引言引言 目前，国内外针对舵叶的研究主要集中在水动力性能方面，而对舵叶与舵杆结构间隙的研究较少1。为保证舵叶、舵杆的各项性能达到预期效果，有必要开展针对舵杆与舵杆承座间隙的研究。本文基于某型集装箱船，对舵叶所受舵力进行计算，并对其在舵力作用下的受力情况进行分析。根据相关规范要求，对舵叶与舵杆结构的间隙进行校核，并计算舵杆在温度影响下的位移情况。1 舵结构介绍舵结构介绍 1.1 结构参数结构参数 舵结构的几何参数见表 1，舵叶和舵杆的结构示意图分别见图1 和图2。图2 中：dg为螺纹外径；64 船舶标准化工程师 2023/3 dn为螺母外径；hn为螺母高度；lt为连接长度。表1 舵结构尺寸 参数 数值 舵叶总面积/m2 95.73 前舵叶面积/m2 31.05 后舵叶面积/m2 62.10 上舵杆直径/m 0.735 下舵杆直径/m 1.235 舵杆总长/m 13.849 图1 舵叶结构示意图（单位：mm）图2 下舵杆结构示意图（单位：mm）1.2 有限元模型有限元模型 根据舵结构的设计图建立舵的有限元模型，并划分网格，网格大小为50 mm50 mm。由于仅分析舵的结构强度，故可在建模时忽略舵叶前端的导流球部分。为保证模型的质量、获得较为真实的应力分布情况，在建模时需要考虑横向结构和纵向结构上的开口。舵叶结构使用板单元建模，舵杆结构使用梁单元建模，舵杆与舵枢部分通过刚性单元连接1。舵叶有限元模型图见图3。图3 舵叶有限元模型图 2 舵叶强度分析舵叶强度分析 根据挪威船级社（Det Norske Veritas，DNV）相关规范的要求，对舵叶所受的载荷进行计算，并将计算结果作为有限元仿真的载荷约束条件，对舵叶强度进行数值模拟。2.1 载荷计算载荷计算 运行中的船舶可通过摆动舵叶对航向进行控制。在此过程中，舵叶受海水的作用力称为舵力，根据DNV 的相关规范2，舵力计算公式为 2R123132Ck k k AV=（1）式中：CR为舵力；k1k3为舵叶相关参数；A 为舵叶面积；V为舵叶设计航速。经计算，舵力为9.16106 N，舵叶面积为95.73 m2。舵叶载荷及约束示意图见图 4，在舵杆和舵机连接处进行完全约束，在舵杆与上舵承连接处进行完全约束，在舵叶的引流面上施加舵力。图4 舵叶载荷及约束示意图 技术交流 Technical Communication 2023/3 船舶标准化工程师 65 2.2 有限元分析有限元分析 对于基于规范公式计算得到的应力结果，需要根据DNV 规范的校核准则（见表2）进行校核。表2 舵叶结构校核许用应力值 许用应力 无开口 有开口 弯曲应力/MPa 110 75 剪应力/MPa 50 50 相当应力/MPa 120 100 然而，本文是通过有限元软件进行计算的，表2 中的许用应力值不再适合作为校核标准。对于这种情况，DNV 一般推荐使用式（2）对许用应力进行计算。Rm=（2）式中：为许用应力；为屈服应力，取345 MPa；R和m为安全系数，分别取1.10 和1.02。图 5图 7 为舵叶水平结构、垂向结构和外板结构的应力云图。外板结构的最大应力为58.6 MPa，出现在舵叶外板与第3 块水平板的交界处。由于此处结构曲率较大，从而产生应力集中现象，且此处受到舵杆对舵叶的反作用力，故产生极大值3。水平结构的最大应力为45.5 MPa，出现在第2 块板的边缘处。相较于其他板，此处的结构曲率较大，导致此处出现应力极大值。垂向结构的最大应力为33.0 MPa，出现在第5 块板的上边缘处。该位置周围的结构件较少，导致应力集中现象3，从而产生应力极大值。综合来看，舵叶结构的最大应力为58.6 MPa，低于材料的许用应力307 MPa，故舵叶结构的强度满足要求。图5 舵叶水平结构应力云图 图6 舵叶垂向结构应力云图 图7 舵叶外板结构应力云图 3 舵叶形变分析舵叶形变分析 3.1 舵力作用下的位移分析舵力作用下的位移分析 根据DNV 相关规范的要求4，舵杆与舵承的间隙不应小于1.5 mm。在有限元模拟中，考虑到多轴偏移以及材料热胀冷缩等情况，认为当舵杆位移小于2 mm时，舵杆不会接触舵承，即满足规范要求。为了保证有限元的计算效率，使用梁单元对舵杆结构进行建模。X、Y、Z 方向的舵杆位移云图分别见图8图10。图8 舵杆位移云图（X方向）66 船舶标准化工程师 2023/3 图9 舵杆位移云图（Y 方向）图10 舵杆位移云图（Z方向）因为研究对象为舵杆与舵叶的间隙，故只需要考虑X和Y方向上的位移情况。舵杆在X和Y方向上的最大位移分别为6.10103 mm和0.293 mm，均小于2 mm，满足规范要求。3.2 温度作用下的形变分析温度作用下的形变分析 为分析舵杆受热膨胀对位移产生的影响，建立舵杆有限元模型，采用四面体网格单元进行网格划分。对舵杆靠近舵机一侧的端面施加完全约束（见图11），初始温度设为常温20，并施加40 的温度场。通过稳态热分析5获得极限温度下舵杆的形变情况，见图12图14。图11 舵杆模型约束条件 图12 极限温度下舵杆形变（X方向）图13 极限温度下舵杆形变（Y方向）图14 极限温度下舵杆形变（Z方向）舵杆在X、Y、Z方向上的最大形变分别为0.154 mm、0.154 mm、0.872 mm。为校核间隙距离，只需要对X、Y方向上的膨胀量进行研究，舵杆在X、Y方向上的膨胀量与距轴心位移的关系曲线见图15。技术交流 Technical Communication 2023/3 船舶标准化工程师 67 图15 舵杆在X、Y 方向上的膨胀量与距轴心位移 关系曲线 在极限温度及舵力的综合作用下，舵杆在X、Y方向上的最大位移分别为0.16 mm和0.44 mm，均小于2 mm，满足规范要求。4 结论结论 本文基于某型集装箱船，对舵叶所受舵力进行计算，并对其在舵力作用下的受力情况进行分析。根据相关规范要求，对舵叶与舵杆结构的间隙进行校核，并计算舵杆在温度影响下的位移情况，可得到如下结论：1）在舵力的作用下，舵叶的最大应力出现在舵叶外板与第3 块水平板的交界处，由于此处结构曲率较大，从而产生应力集中现象，且此处受到舵杆对舵叶的反作用力，故产生极大值。最大应力为 58.6 MPa，低于材料的许用应力307 MPa，满足强度要求。2）在舵力作用下，舵杆在 X 和 Y 方向上的最大位移分别为6.10103 mm和0.293 mm，均小于 2 mm，满足规范要求。3）温度对舵杆位移的影响较大，是舵叶与舵杆的间隙研究中不可忽视的因素。4）在极限温度及舵力的综合作用下，舵杆在X、Y 方向上的最大位移分别为0.16 mm和0.44 mm，均小于2.00 mm，满足规范要求。参考文献：参考文献：1 夏军武,杨晨,祝华权,等.方钢管柱-H型钢梁半刚性连接钢框架静力性能有限元分析J.江苏建筑职业技术学院学报,2020,20(3):9-14.2 DNV.Rules for the Classification of ShipsS.2016.3 李云,张栋.基于有限元分析的船舶结构设计J.舰船科学技术,2022,44(6):40-43.4 郭磊.舵结构强度及舵杆直径敏感性分析J.船舶,2015,26(5):110-113.5 苏高辉,杨自春,温春华.船舶管道多层隔热结构的传热机理分析和实验研究J.热科学与技术,2012(1):64-68.（上接第51 页）参考文献：参考文献：1 侯福祥,王辉,任荣权,等.海洋深水钻井关键技术及设备J.石油矿场机械,2009,38(12):1-4.2 周俊昌.海洋深水钻井隔水管系统分析D.成都:西南石油学院,2001.3 牛爱军,毕宗岳,牛辉,等.国外深水钻井隔水管发展现状及主管性能分析J.焊管,2015,38(9):6-11.4 杨进,曹式敬.深水石油钻井技术现状及发展趋势J.石油钻采工艺,2008(2):10-13.5 王进全,王定亚.国外海洋钻井隔水管与国产化研究 建议J.石油机械,2009,37(9):147-150.6 畅元江,陈国明,鞠少栋.国外深水钻井隔水管系统产品技术现状与发展J.石油机械,2008,36(9):205-209.7 兰洪波,张玉霖,菅志军,等.深水钻井隔水管的应用及发展趋势J.石油矿场机械,2008,37(3):96-98.8 刘书杰,谢仁军,仝刚,等.中国海洋石油集团有限公司深水钻完井技术进展及展望J.石油学报,2019,40(增刊2):168-173.X Y