5万吨半潜船不平行支臂艉轴架优化设计_焦金峰.pdf

-16-作者简介：焦金峰（1987-），男，工程师，船舶设计。张浩稳（1987-），男，助理工程师，船舶设计。许卫峰（1975-），男，工程师，船舶设计。5 5 万吨半潜船不平行支臂艉轴架优化设计万吨半潜船不平行支臂艉轴架优化设计焦金峰张浩稳许卫峰（广船国际技术中心）摘要：通过对传统斜插入式艉轴架设计存在的施工、精度控制等问题进行分析，对 5 万吨半潜船艉轴架插入船体部分结构进行了优化设计，以减少对现场施工、精度控制的影响。同时基于上述优化，进行两条支臂的空间旋转定位，达到整个艉轴架连接光顺、满足船舶各项性能指标，减少现场施工难度的目标。关键词：不平行；支臂；艉轴架；设计DOI：10.3969/j.issn.2095-4506.2023.01.0050前言5 万吨半潜船为双桨，设有 2 个艉轴架，艉轴架的安装一般都是分段、总段装配完或在船坞中阶段进行（此船是在分段装配完之后进行安装），艉轴架必须深入船体之内与船体结构牢固连接，保证艉轴架的强度；同时艉轴架与尾轴息息相关，因此其安装有较高的精度要求。本船艉轴架设计院初始设计同于母型船，两条支臂平行且斜向插入船体结构，此种设计现场施工难度大，且精度难以控制，因此必须将斜插入式艉轴架进行优化，在设计阶段将相关装配、焊接及精度等问题进行处理，减少后续施工问题的发生。同时为保证两个支臂所对应的插入船体的部分在船长方向在同一位置，不影响其他肋位结构，导致两条支臂不平行，需要通过空间旋转找到准确定位，还需与插入船体部分有较好的过渡，并且满足强度及水池试验要求。1艉轴架与船体结构连接形式的设计优化1.1斜向插入式结构不足原设计采用V字形结构形式，如图 1 所示，支臂平行斜向插入船体结构，此设计型式与母型船一致，支臂侧视图及插入船体结构部分节点，如图 2所示。艉轴架两支臂叉开距离必然是未端大于近始端，且 Y 轴方向相对于 Z 轴方向具有放大效应，此船两支臂夹角达到 72 度，误差比例为 Y:Z=1.5:1。在此种设计方法中，图 2 中支臂斜插入船体位置的外板，对应加强板均需要缓装，必须等艉轴架安装到位后再进行装配及焊接，装配及焊接工作量大大增加。艉轴架的安装精度与尾轴密切相关，必须保证精度避免给后续拉线望光留下隐患，因此必须对此种结构型式进行设计优化。1.2垂直插入式结构鉴于 1.1 中所述斜插入式结构存在的诸多问题，需要对插入船体部分的结构进行优化。根据本船详图 1“V”字形艉轴架图 2支臂侧视图及相关节点细建造方案艉轴架对应安装分段反造的建造特性，艉轴架垂直从上至下吊装，如果艉轴架插入船体的部分也是垂直的就会大大减少装配及精度问题的出现。因此将插入船体的部分设计为垂直型式，在船体外板之外进行起折，降低现场施工难度，支臂艏视图如图 3 所示。此外，本船尾部为横骨架式结构，每一档都设焦金峰张浩稳许卫峰：5 万吨半潜船不平行支臂艉轴架优化设计-17-图 3支臂首视图图 4支臂侧视图图 5NACA 线型图 6坐标系置有肋板，船体内部结构布置较为密集，为了将艉轴架对船体内部结构的影响降到最低，尽量保持原始结构以减少重新进行强度计算的范围，也为了避免形成狭小空间造成难以装焊的问题，所以使艉轴架插入船体的部分在船长方向保持在同一位置，并且控制在 3 档之内，同时艉轴架支臂还需与插入船体的部分有较好的过渡，侧视图如图 4 所示。上述垂直插入设计既降低了装配、装焊的难点及工作量，又提高对精度的控制，与此同时，因为支臂长度的减小，缩减了支臂在 Y 轴方向相对于 Z轴方向放大效应。上述垂直插入式结构虽存在诸多好处，但却造成了艉轴架两个支臂在空间上的不平行，因此艉轴架支臂的设计定位就成了整个艉轴架设计非常关键的一点。图 7支臂 1 初始位置图 8支臂 1 绕 Y 轴旋转 13 度2不平行支臂设计2.1支臂设计注意事项2.1.1支臂剖面模数支臂剖面形状是艉轴架的一个重要参数，与艉轴架强度及水动力特性密切相关。设计时要确保支臂强度与水动力特性不受影响，本船采用已确定好的 NACA 线型，如图 5 所示。2.1.2支臂安装角度支臂安装角度是艉轴架的另一个重要参数，对船体阻力和螺旋桨的伴流分量有密切的影响，设计时安装角度要确保不影响艉轴架的水动力特性，具体的设计流程及方法如下文所述。图 9支臂 1 绕 Z 轴旋转 3 度GSI SHIPBUILDING TECHNOLOGY广船科技2023 年第 1 期(总第 164 期)-18-图 10支臂 1 绕 X 轴旋转 42 度（最终定位）图 11支臂 2 初始位置2.2支臂设计流程及方法将近中处支臂命名为“支臂 1”，舷侧处支臂命名为“支臂 2”，如图 3 所示。2.2.1支臂定位的定义定义均是以左舷艉轴架为例，右舷对称。艉轴架支臂角度定义中采用的坐标系以参考点（R.P.）为原点，X/Y/Z 轴方向与船体坐标系一致，如图 6所示。2.2.2支臂 1 定位建模（1）支臂 1 以 X=10710mm，Y=6850mm，Z=2800mm 为参考点（R.P.），定为参考点 1；（2）支臂 1 的初始位置为其 NACA 线型前缘线过参考点 1，位于距中 6850mm 的纵平面内，且前缘理论线垂直于水平面，如图 7 所示；（3）先以参考点 1 为旋转点，绕 Y 轴顺时针旋转 13 度，如图 8 所示；（4）在上述步骤的基础上，继续以参考点 1 为旋转点，绕 Z 轴顺时针旋转 3 度，如图 9 所示；（5）在上述步骤的基础上，继续以参考点 1 为旋转点，绕 X 轴顺时针旋转 42 度，得到支臂 1 的最终定位，如图 10 所示。2.2.3支臂 2 定位建模（1）支臂 2 以 X=10710mm，Y=7150mm，Z=2800mm 为参考点（R.P.），定为参考点 2；图 12支臂 2 绕 Y 轴旋转 13 度图 13支臂 2 绕 Z 轴旋转 6 度图 14支臂 2 绕 X 轴旋转 30 度（最终定位）图 15艉轴架筒体焦金峰张浩稳许卫峰：5 万吨半潜船不平行支臂艉轴架优化设计-19-（2）支臂 2 的初始位置为其 NACA 线型前缘线过参考点，位于距中 7150mm 的纵平面内，且前缘理论线垂直于水平面，如图 11 所示。（3）先以参考点 2 为旋转点，绕 Y 轴顺时针旋转 13 度，如图 12 所示；（4）在上述步骤的基础上，继续以参考点为旋转点，绕 Z 轴逆时针旋转 6 度，如图 13 所示；（5）在上述步骤的基础上，继续以参考点为旋转点，绕 X 轴逆时针旋转 30 度，得到支臂 2 的最终定位，如图 14 所示。经过上述步骤，支臂 1 与支臂 2 定为已完成。2.3艉轴架筒体设计（1）以螺旋浆中点坐标：FR10+178，7000，3100 为参考点，X/Y/Z 轴方向与船体坐标系一致；（2）过参考点建一水平线，然后再将水平线在距中 7000 剖面内向上旋转 1.5 度，得到尾轴中心线；（3）以尾轴中心线为旋转轴，轴架筒体外缘边界线绕轴旋转 360 度，得到轴架筒体，如图 15 所示。3艉轴架设计效果通过上述各步骤，组成艉轴架的三个部分均已分别设计完成，虽然看上去简单，但是在空间上进行建模操作极为困难，尤其是两个支臂，并且需要将各个部分连接起来光顺过渡，以减少应力集中及阻力的产生，同时连接部分还需满足容易施工、加工等要求，光顺是一个复杂的过程，本文不再赘述。此外，原设计整个艉轴架为一体式铸件，重量大，成本高，为了达到降低成本目的，插入船体部分及筒体采用铸件，中间支臂采用钢板加工焊接而成，最终的设计图纸及实体如图 16、17 和 18 所示。4结束语通过以上的设计，使 5 万吨半潜船艉轴架插入船体的部分采用垂直插入式，既减少了结构的修改及装配、焊接的工作量，也能够最大程度的保证了精度，将艉轴架安装时机提前到分段阶段，实现了工序前移，保证了建造周期。同时空间不平行支臂的设计虽然设计建模较为复杂，但实现了上下的光顺连接，并且满足了强度及水动力要求，在实船上得到了顺利实施。投稿日期：2021-10-7GSI SHIPBUILDING TECHNOLOGY广船科技2023 年第 1 期(总第 164 期)图 16艉轴架设计图纸图 17艉轴架实体图图 18艉轴架实体图