5万吨级前置预旋导轮结构设计及强度直接计算方法研究

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1、54卷第4期(总第207期)中国造船v01．54No．4(SerialNo．207)2013年12月SHIPBUILDINGOFCHINADec．2013文章编号：1000．4882(2013)04．0120．065万吨级前置预旋导轮结构设计及强度直接计算方法研究张海华，沈继华，吴赞，郦羽(中国船舶科学研究中心上海分部，上海200011)摘要目前各大船级社还没有针对前置预旋导轮及附属结构的明确的设计规范或规定。论文以一艘5万吨级散货船的前置预旋导轮为研究对象，采用有限元直接计算方法对导轮结构进行强度分析。对设计的结构进行了振动计算和强度校核。根据计算结果对结构进行了加强，形成的产品已经

2、安装到实船。论文提出的导轮结构强度设计计算方法能满足工程应用需要，还可应用于同类产品的结构设计。关键词：前置预旋导轮；结构设计；基于数值模拟的设计方法；强度分析中图分类号：U661．4文献标识码：A0引言船舶节能技术于上世纪六十年代开始逐渐展现在人们的视野中，并在之后的二十来年中得到快速发展。进入二十一世纪后，关于节能的研究主要集中在节能装置机理研究、设计方法研究以及组合式节能装置的开发等方面。而CFD技术、PIV技术等新技术的应用则是这个时期节能装置研究的显著特点。相对国外在该领域系统化的研究而言，国内节能装置的设计研究品种单一、发展滞后。近年来，中国船舶科学研究中心在船舶节能装置的

3、设计方法、性能预报评估方法等方面组织技术骨干进行科研攻关，逐步形成船舶节能装置的水动力性能设计、结构设计和强度校核等一整套流程。1前置预旋导轮前置预旋导轮是一种新型船舶节能产品，它是前置伴流补偿导管和导叶的组合体，如图1所示。这种装置能够改善分离流动，恢复艉部船体表面压力。水流通过导管时加速，产生额外的推力，导叶能够产生预旋流，减小尾流旋转能量损失。前置预旋导轮还能起到均匀伴流场及消除艉涡的作用，从而提高螺旋桨推进效率。安装性能优良的前置预旋导轮可使船舶节能效率提高4％-8％，从而节省燃油消耗，降低大气碳排放，具有较大的市场应用前景。由于目前船级社还没有发布专门针对前置预旋导轮结构强度

4、评估方法。为了考核设计的导轮结构强度及振动特性，本文在分析现有规范的基础上，提出导轮的结构设计和强度评估方法。收稿日期：2013．08．12；修改稿收稿日期：2013—12．1154卷第4期(总第207期)张海华，等：5万吨级前置预旋导轮结构设计及强度直接计算方法研究121图1前置预旋导轮模型图以一艘5万吨级散货船上安装的前置预旋导轮为例，其导轮结构初步设计方案和船型的主要参数见表l。表1算例船型及导轮方案的主要参数参数数值参数数值船长／m185．0导管长度／mm2000型深／m18．0进口直径／mm5000设计吃水／m11_3出口直径／mm4000设计航速／kn14．5导叶弦长／mm

5、1350主机功率／kw9400导叶片数52数值计算与强度评估为了评估设计的导轮结构强度是否满足要求，须对导轮结构在实际运行过程中可能受到的载荷进行分析。导轮结构载荷包括航行过程中的流场压力和转向时受到的侧向力。然后将载荷作用在导轮结构上，采用数值直接计算方法进行强度分析。2．1计算载荷2．1．1流场压力采用FLUENT软件计算流场压力。在计算中，小尺度导轮模型上的压力分布须转换成实船尺度模型的压力，再对结构进行强度校核[1]。无因次压力系数如下式所示：参)式中，P为导轮表面压力，a；Vo为来流速度，m／s；P为来流密度，kg／m3根据导轮模型表面压力压力系数Cn及模型的缩尺比，即可得到

6、实体导轮结构表面的流场压力分布。再加上水深引起的静压力即可得到导轮结构表面的压力分布。中国造船学术论文2．1．2回转侧向力船体在转向过程中会对导轮产生一个侧向力。此时导轮的受力与船体舵的受力状态相似。因此，在此引用舵的强度校核方法对转向工况的导轮进行强度分析。参照文献[2]中关于舵的要求，舵力的计算公式为F=132K1K2(2)式中，为舵力，N；为舵叶面积，m2；为舵设计航速，kn；Ki为系数，K1=1／3(+2)，2=b／A，b为舵叶平均高度，m；A为平均高度范围内的舵叶面积，m2；系数在正车时取1．1，倒车时取0．9；取1．0。2．2强度评估标准以结构的应力强度作为考核对象。经过结

7、构有限元强度计算，可获得板单元中面处沿局部坐标和y方向的正应力、平面的剪应力及合成的等效应力。等效应力用来评估所计算单元的应力水平，可用下式表示【3]。广—————■———————————=~／0-x‘+()I一+3‘(3)式中，ae为单元平面的合成应力，MPa；为单元平面沿方向的正应力，MPa；为单元平面沿】，方向的正应力，MPa；为单元平面平面的剪应力，MPa。应力判断一般是以四边形单元或三角形单元应力中心点为标准，所以计算结果中列出的是单