某海洋调查船轮缘侧推装置载荷及强度分析

左新平，林昭友，郑锐聪

（1. 中交四航局江门航通船业有限公司, 江门 529145；2. 广州海洋地质调查局, 广州 510075：3. 广州海工船舶设备有限公司, 广州 511495）

1 前言

现代海洋调查船大都安装了侧推装置，用于船舶动态定位和横向操纵。传统侧推装置大多采用隧道式，垂向位置固定，不能动态适应船舶不同的装载工况；而伸缩式侧推装置能够根据船舶吃水动态升降，成为一种新的选择形式。特别是轮缘式推进装置，结构简单，静音特性较好，更适合海洋调查船的低振动噪声要求。

由于轮缘侧推装置设计较为新颖，其受力计算方法尚没有规范。为评估某海洋调查船采用的新型轮缘侧推装置强度问题，建立船-侧推装置整体模型，采用计算流体动力学雷诺平均（RANS）方法，并考虑自由面的影响，计算船舶在前进航速下的水动力，得到船-侧推装置受力及载荷分布特性；在此基础上，将载荷结果导入有限元模型，通过单向流固耦合方法对侧推装置的结构强度进行计算分析，得到侧推装置应力/应变分布。根据强度评估得知，侧推装置的最大变形出现在封板远离支架处，且强度满足要求。

2 轮缘侧推装置设计

某海洋地质调查船，主尺度参数为：船长85 m，垂线长77.75 m，船宽22 m，型深8.0 m，吃水为6.3 m，排水量7 614 t；船体线型设计为：首部采用垂直首，尾部采用适合全回转推进装置的纵流形船尾。

该船在船首110#肋位处安装有动力定位用的侧推装置，侧推装置采用轮缘推进形式：轮缘内部具备桨毂，轮缘导流罩底部有圆形封板，导流罩和封板之间有加强筋。轮缘推进装置结构示意图，如图1所示。

图1 轮缘推进装置基本结构示意图

由于取消了传统的动力传动轴系，轮缘推进装置将螺旋桨、电机和轴承进行一体化设计制造，根据应用场景又可为升降式，具有结构简单、控制灵活等特点。

本文主要研究侧推装置在流载荷作用下的结构强度问题，暂不考虑桨叶脉动压力及其他载荷作用，所以进行三维建模时对桨叶作简化处理，仅对侧推装置承受载荷的关键部分进行三维建模，包括轮缘导流罩壳、封板、翼板及内部桨毂部分。

为了精确分析船舶航行过程中流场对侧推装置的影响，按照侧推装置在船舶实际布置建立船桨整体的三维建模，如图2所示。

图2 船-侧推装置整体模型

3 轮缘侧推装置受力及载荷分析

轮缘推进装置承受的载荷，主要为侧推装置在船舶航行时受到的水流冲击载荷，其主要和侧推装置的布置位置及具体流场相关。

因此，对于侧推装置强度分析需结合其船型布置特征进行整体考核。在水流冲击载荷评估方面，将其作为自由面扰流问题来解决，采用VOF方法处理自由面，求解问题的数学模型的控制方程，包括：连续性方程、体积分数方程、动量方程，以及湍流模型的方程和方程。

3.1 控制方程

考虑不可压缩黏性流，连续性方程和动量方程分别为：

式中：t为时间；为密度；为控制体；为控制体的面积；U为控制体面积法向向量的速度；U和p分别为速度和压力；U为在坐标轴方向上的平均速度分量；τ和g分别为黏性应力张量和重力矢量；I和I分别为方向向量。

3.2 湍流模型

采用SST湍流模型，其湍动能和湍流耗散率的输运方程分别为：

式中：μ为分子黏度；x为坐标轴；U为在xj坐标轴方向上的平均速度分量；μt为湍流涡黏度；t为湍流雷诺应力张量；为平均应变率张量；F为辅助混合函数；P为ω的导出项；，σ 和σ分别为湍流模型常数。

3.3 自由面捕捉算法

采用VOF方法捕捉自由面，其基本思路为采用构成函数c，空气和水作为单一流体同时计算。其中，c在空气中取值为0，在水中取值为1，如下式所示：

自由液面捕捉算法具有更好的灵活性和适应性，可较好地船体周围流场的变化。

3.4 离散格式

控制方程采用隐式有限体积法进行离散，直接求解三维黏性不可压多相流的RANS方程，具有2阶空间和时间精度，动量方程离散采用GDS格式，时间离散采用时间步进算法；自由液面捕捉采用BRICS可压缩型离散格式，能减小自由液面附近构成函数的数值扩散。

3.5 计算区域

由于计算水流速度较低，且船舶和侧推装置尺度差异较大。为最大程度消除尺度效应的影响，本计算采用实尺度完整船舶计算，计算区域设置为6L×3 L×2L，前边界设置为船前1.5L、后边界为船后3.5L处、左/右边界为船侧1.5L、上边界为水线以上0.5 L处、下边界为水线以下1.5L处。计算区域如图3所示。

图3 船-侧推装置水动力计算域设置

计算域边界条件设置为：上下边界取为压力边界，前后及左右边界全部设置为为远流场边界条件；船体甲板面为滑移面，其他物面为不可滑移物面条件；在求解过程中存在时间偏导项，船体从静止加速到给定航速，给定航速求解至收敛。

3.6 网格划分

计算网格质量影响数值计算的效率和准确性。本文采用FINE/Marine水动力计算软件，使用该软件自带的网格生成器，通过网格粗化、网格细化、网格吸附以及边界层插入、形成贴体的全六面体非结构化网格；在网格尺寸设置方面，根据计算经验，对于自由面网格进行充分加密，以捕捉自由面波形的影响；对船舶侧推装置封板、翼板和轮缘导流罩进行充分加密，以反映侧推装置外形尺寸的影响：

根据Y+确定边界层网格尺寸，如上式（6）所示。本次计算设置Y+为100左右。全部网格带侧推装置，计算网格总数为580万；网格质量通过正交性来保证，绝大部分网格正交性为90 deg，最小正交性为23.5 deg。计算区域设置及船体-装置表面网格划分如图3～4所示。

图4 船-侧推装置表面网格划分

为充分考虑侧推装置在各个前进航速下承受的载荷，计算时以船舶纵向航行、侧推装置轴线与船舶中纵向剖面呈90°夹角时受到的载荷最大；根据船舶常用的前进速度3 kn、4 kn和5 kn，计算船舶及侧推装置受到的阻力及水动力载荷。

3.7 计算结果分析

本次计算采用类似船型裸船+附体验证的方式，计算精度在3%以内。对于在不同航速（水流）受到的阻力差异较大，具体计算值如表1所示。可以看出，侧推装置在水流速度为5 kn时候承受的载荷最大，达到5.07 kN。

表1 不同流速下的受力，单位kN

侧推装置在水流作用下，承受的水动力载荷，如图5所示。

图5 船-侧推装置水动力载荷分布

由图5可以看出：不同航速下侧推装置承受的载荷分布位置基本相似，都位于导流罩及翼板加强筋的迎风面；承受的载荷大小根据航速不同差异较大，在航速5 kn时，承受载荷最大为3 900 pa，这种载荷数值相对很小。

侧推装置除了承受水动力载荷之外，还受到潜水深度的静压力载荷，两者合成为侧推装置承受的总的载荷，如图6所示。

图6 船-侧推装置总载荷分布

上图为侧推装置在不同航速下所承受的静水压力载荷，可以看出，水动力载荷相比于静压载荷是个小量，所以侧推装置以承受静水压力载荷为主，正比于吃水深度，最大压力载荷为0.8 Mpa，相对亦较小。

4 轮缘侧推装置强度分析

4.1 有限元模型建立

轮缘侧推装置受力分析和强度校核，采用Ansys软件进行有限元仿真。该轮缘侧推装置装置采用Q235钢装配制造而成，由于该装置的各部分结构分别采用螺栓或焊接等方式进行紧固，故在接触设置时均采用绑定设置。

网格划分采用体网格方式，其中轮缘侧推装置模型网格尺寸为20 mm，单元总数为878 894，节点总数为487 460。上述网格划分方式下，网格质量符合正态分布，均集中于0.6～1.0区间内。

根据轮缘侧推装置水下静压及水动力载荷分布图，可知在船速为5 kn时，水动力载荷较静压载荷大小相差一个数量级，故有限元加载时忽略水动力载荷的影响；因静压载荷由吃水深度决定，为简化加载，将轮缘侧推装置分为上、中、下三个加载区域分别加载；同时，考虑到轮缘侧推装置在实际使用过程中采用导轨吊装的方式进行上下升降，本文分析中对其上部节点6DOF分别进行约束，如图7所示。

图7 约束施加

4.2 强度计算结果分析

轮缘侧推装置在静水载荷下的整体变形与应力分布，如图8所示。由图8可知：轮缘侧推装置的最大变形出现在封板远离支架处，为0.068 mm，且变形分布与静水下的载荷分布趋于一致；轮缘侧推装置最大应力出现在轮缘侧推装置导管与支架接触处，为4.56 MPa，且应力主要集中于支撑部件的拐角处；目前规范对于附体装置要求，主要是应力强度衡准，即装置许用应力不超过材料屈服应力0.5倍。本侧推装置承受的载荷，仅为材料屈服应力的1.9%。在衡准要求范围之内。

图8 轮缘侧推装置变形与应力分布图

5 结论

本文针对某海洋调查船轮缘侧推装置强度评估问题，建立船-侧推装置整体模型；采用计算流体动力学雷诺平均（RANS）方法，并考虑自由面的影响，计算船舶在前进航速下的水动力，得到船-侧推装置受力及载荷分布特性；在此基础上，将载荷计算结果导入有限元模型，采用单向的流固耦合方法对侧推装置的结构强度进行计算分析，得到侧推装置应力/应变分布。

根据强度评估得知：侧推装置的最大变形出现在封板远离支架处，变形分布与静水下的载荷分布趋于一致；轮缘侧推装置最大应力出现在轮缘侧推装置导管与支架接触处，装置承受应力满足CCS规范关于附体的许用应力要求。