vlcc前置导管结构设计与强度分析

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1、中国造船学术论文有220～280mm，长度一般在1300～2O00mm之间，长宽比在6～7范围内。随着船舶大型化发展，前置导管的尺寸相应增大，长宽比达到14．5，属于细长结构体。细长结构体由于刚度偏弱，如果剖面模数不足，在一定载荷的作用下就会发生破坏。“偏软”的导管结构固有频率也比较低，容易与船体发生低频共振，导致疲劳裂纹的产生。目前国内外船级社针对前置导管结构设计验证的规范尚属空白。日韩等国对前置导管等节能装置结构的研究比较成熟，但是对外保密。国内曾有工程师对前置导管的振动性能进行分析，但是对前置导管载荷的定量分析和结构强度的评估鲜有研

2、究。本文以超大型原油船为载体，研究前置导管结构设计的方法，并设计结构安全可靠的前置导管装置。1前置导管的结构特点前置导管的主要尺寸如表l所列。表1前置导管尺寸参数量值参数量值后端内壁直径／mm4000纵向倾角／(o)5前端内壁直径／mm4554左导管后倾角／(0)2导管长度／mm2805右导管后倾角／(0)6最大厚度／mm277从结构方面来说，导管是由横向、纵向隔板相交组成的框架与内、外壳板焊接而成。导管截面为机翼形，如图2所示。：司。I35{3『550‘目'550l550_Je2B05．J^图2导管机翼形截面图2模态分析与性能评估前置导

3、管位于螺旋桨激振力作用较强的区域，而且艉部流场分布复杂。如果设计不当可能发生共振，损坏导管结构，甚至损坏螺旋桨。现对前置导管的共振风险进行评估。在保持根据船模试验结果设计的导管外形尺寸不变的前提下，通过改变导管与船体连接处的连接形式，或者改变导管内外壳板的厚度，都可能改变导管的固有频率。为此考虑4种不同的设计方案。其中的3种方案是在导管与船体连接处采用不同的连接形式，还有1种方案是改变导管内、外壳板的板厚。应用有限元法和流体边界元法得到导管在空气中和水中的固有频率和振型，并对4种设计方案进行比较分析。这4种设计方案是：54卷第4期(总第2

4、07期)刘奕谦，等：VLCC前置导管结构设计与强度分析由表6可见，D4方案(增设斜板方案)能增加导管刚度并降低与船体连接处的应力水平【3】，但是其固有频率更接近螺旋桨激振频率，而且增设斜板可能会对尾部流场产生干扰作用，削弱导管的节能效果。为此不考虑增设斜板的方案。D1~D3这3种方案的频率储备相近。其中D3方案对导管与船体连接部分的支撑作用可能更好，而且考虑到尾部承受的波浪动压力、砰击载荷都较大，选取较大的内外壳板厚(15ram)更安全。综合考虑各种因素，导管设计采用D3方案。3强度分析对前置导管结构进行了强度评估。根据IACS共同结构规

5、范(CSR)及德国劳氏船级社规范(GLRULES)等对船体载荷的要求，对前置导管结构在实际运营中可能受到的载荷进行定量分析。这些载荷包括船体三向运动时引起的惯性力，不同浪向下的水动力，纵摇时受到的尾部砰击载荷，以及回转时受到的侧向力。3．1载荷计算本导管尺寸较大，质量达15t。当船舶三向加速运动时导管的惯性力不可忽视。根据共同结构规范(CSR)对加速度的规定【4J，经计算，导管三向加速度分别为：(1)垂向加速度．=4．2m／s，(2)横向加速度at=2．7m／s，(3)纵向加速度：，=0．735m／s。船舶航行时，导管始终在水线以下，会受

6、到各个方向海浪产生的动压力。在GL关于波浪动压力的评估方法[5】中，本文选用的是根据不同浪向工况计算波浪动压力的方法。该动压力的计算方法也考虑了静水压力的影响。为简化计算，假设导管受到的动压力是均匀分布的，并将导管上下区域计算得到的最大动压力作用在导管的内外壳表面上，如图8所示。经计算波浪动压力为(1)波浪方向与航行方向相同时的外部动压力p。=207．0kN／m2，P=237．0kN／rn2。．。。(2)波浪方向与航行方向垂直时的外部动压力P。=137．6／nl2，Ps1_d0=176．1kN／m2。船舶在恶劣的海况下航行时，船艏、艉会因

7、频繁出水入水等原因在船艏底部，艉部等区域发生砰击现象。导管下半部面积较大，线型较为平坦，而且位于船体的尾部，因此船舶纵摇时受到的尾部砰击载荷不可忽视。根据LR规范中的Ochi-Motter砰击载荷估算方法]，对导管受到的砰击载荷进行计算。=0．5kN(1)式中，Pb为砰击载荷，kN／m~,1为形状系数；为砰击速度，rn／s。经计算，尾部砰击载荷为P。=288．8kN／m~。导管入水且横向入水角大于45。时，由于水流能迅速散开，基本不受砰击载荷的影响。为此本文主要考虑导管横向入水角小于45。时受到砰击载荷的作用。为简化计算，假设导管受到的砰

8、击压力是均匀分布的，并将该区域计算得到的最大压力作用在导管的外壳表面上，如图9所示。导管具有机翼形剖面，在水流经过时，导管表面会受到垂直于来流方向的升力作用。船舶航行过程中，水流流向往往与航行