螺栓预紧力对上舵承的强度影响分析.pdf

26 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）设计与研究作者简介：陈 壮（1991-），男，工程师。从事船舶舾装设计工作。陈 路（1989-），男，工程师。从事船舶电气设计工作。收稿日期：2022-06-27螺栓预紧力对上舵承的强度影响分析陈 壮1，陈 路1，张梦婷2（1.上海船舶研究设计院，上海 201203；2.中船外高桥邮轮供应链（上海）有限公司，上海 200137）摘 要：船舶平面摩擦上舵承通常配备止推块及紧固螺栓（或紧固螺柱），用于承受由舵叶水动力引起的径向载荷。紧固螺栓可承受径向载荷值与螺栓预紧力值成正比关系，在径向载荷不变的情况下，通过调整螺栓预紧力值可改变螺栓可承受径向载荷值，进而对上舵承本体及止推块强度产生影响。本文以 2 600 TEU 集装箱船上舵承为实例，使用软件 Solidworks/Simulation 模块对不同螺栓预紧力下的上舵承强度展开分析，确定适用于本船上舵承螺栓预紧力范围。本文仿真分析的方法和结果，为类似上舵承螺栓预紧力分析提供了很大的参考价值。关键词：上舵承；螺栓预紧力；Solidworks/Simulation中图分类号：U664.4 文献标识码：ASimulation Analysis of Bolt Pre-tightening Force Influence on Upper Rudder Bearing Strength CHEN Zhuang 1,CHEN Lu1,ZHANG Mengting2(1.Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute,Shanghai 201203;2.CSSC WaiGaoqiao Cruise Supply Chain Co.,Ltd,Shanghai 200137)Abstract:Ships plane friction upper rudder carrier are usually equipped with chock stopper and fastening bolt(or fastening double-screw bolt)for bearing radial force caused by hydrodynamic force of rudder blade.The radial load bearing value of fastening bolt is directly proportional to the pre-tightening force value of bolt.Under the condition that the radial load keeps unchanged,the bolt radial load bearing value can be changed by adjusting the bolt pre-tightening force value,which can make impact on the strength of upper rudder carrier body and chock stopper.This paper is based on 2 600 TEU container vessel upper rudder carrier,using software Solidworks/Simulation module to analyze the strength of upper rudder carrier under different bolt pre-tightening force,and to determine the range of upper rudder carrier bolt pre-tightening force applicable to this ship.The method and results of the simulation provide great reference for the analysis of similar upper rudder carrier bolt pre-tightening force.Key words:Upper Rudder Carrier;Bolt Pre-tightening Force;Solidworks/Simulation1 前言平面摩擦上舵承作为船舶舵系的重要组成部分，其主要作用是承受由舵叶上水动力引起的径向载荷及由舵系重力引起的轴向载荷。常用的平面摩擦上舵承，包括：（1）与普通半悬挂舵系适配的船标 A 型及 B 型上舵承。其中，船标 B 型上舵承工作原理为上舵承本体通过六角头螺栓紧固于上舵承基座（如图1所示），本体外周均匀分布一定数量的止推块，止推块焊接在上舵承基座上，紧固螺栓及止推块用于承受径向载荷，上舵承架内嵌于舵杆凹槽，以承受包括舵叶、舵杆、舵柄及液压螺母等舵系部件的重力1；（2）与全悬挂舵适配的下沉式上舵承（如图 2 所示）。其原理为上舵承本体内嵌于全悬挂舵套筒且通过双头螺柱紧固于舵套筒，本体外周均匀分布一定数量的止推块，上舵承整体位于舵机舱甲板以下，双头螺柱、止推块用于承受径向载荷，上舵承架则用于承受舵系重力；（3）能适配普通半悬挂舵及全悬挂舵的半下沉式上舵承（如图 3 所示）。其原理为上舵承整体位于舵机舱甲板以上，本体下缘部分内嵌于舵套筒。与下沉式上舵承类似，半下沉式上舵承通过双头螺柱及止推27GUANGDONG SHIPBUILDING 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）设计与研究块承受径向载荷，上舵承架承受舵系重力。图 1 船标 B 型上舵承 图 2 下沉式上舵承 图 3 半下沉式上舵承由以上三种类型平面摩擦上舵承可知，上舵承均使用止推块及紧固螺栓（或紧固螺柱）用于承受由舵叶水动力引起的径向载荷，由上舵承组件基本原理可知，在径向载荷不变的情况下，通过调整螺栓预紧力值可改变螺栓可承受径向载荷值，进而对上舵承本体及止推块强度产生影响。因此，有必要对不同螺栓预紧力下的上舵承强度展开分析，以确定较为合理的螺栓预紧力。SolidWorks/Simulation 是一个完全集成于三维软件SolidWorks 设计分析系统，凭借着快速解算器的强有力支持，SolidWorks/Simulation 可进行零件和产品应力分析、频率分析、扭曲分析、热分析、优化分析及流体分析等仿真分析2。考虑到 SolidWorks/Simulation 在零件和产品设计和仿真一体化分析方面的优势，本文使用 SolidWorks/Simulation 对不同螺栓预紧力下的上舵承强度进行分析。2 半下沉平面摩擦上舵承原理本文以中船集团上海船舶研究设计院设计的 2 600 TEU 支线集装箱船舵系的半下沉式水密上舵承为分析对象，在软件 Solidworks 中建立其三维模型，其上舵承三维装配图如图 4 所示。图 4 上舵承三维装配图半下沉水密上舵承本体及舵承架均为 Half 型，两舵承架通过 4 组螺栓螺母紧固连接，舵承架位于本体上方，用于承受舵系重力；两舵承本体通过 8 组螺栓螺母紧固连接，然后通过 18 组双头螺柱螺母固定于舵套筒端部法兰面，舵承本体外周对称布置了 6 组焊接于舵机舱甲板的止推块，双头螺柱及止推块用于承受作用在舵承本体上的径向载荷。3 Solidworks/Simulation 有限元分析本文重点分析不同螺柱预紧力下的上舵承本体及止推块强度。考虑到零部件的数量及零部件相互接触面数量直接影响仿真的速度及稳定性，结合对上舵承各组件受力初步分析，对仿真模型进行简化，仅分析径向载荷作用在舵承本体时上舵承的强度。简化后的仿真模型，如图 5 所示。图 5 仿真模型组件3.1 零部件材料属性仿真模型组件，包括：上舵承本体、舵承本体紧固螺栓螺母、舵承本体紧固双头螺柱螺母、止推块、舵套筒及舵机舱甲板。根据模型组件设计计算及选型，设定其材料参数：舵承本体及舵套筒为铸造碳钢ZG230-450；止推块为 EH36 板；紧固螺栓及双头螺柱为 8.8 级，其配套厚螺母、薄螺母均为 8 级。3.2 零部件接触约束根据模型零部件的实际接触情况，考虑到零部件接触面的类型和数量对仿真速度有很大影响，设置：舵承本体间接触为无穿透；舵承本体紧固螺栓螺母与舵承本体间接触为无穿透；双头螺柱螺母与舵承本体间、舵套筒间接触为无穿透；紧固螺栓与螺母间接触为结合；双头螺柱与螺母间接触为结合；舵承本体底面、止推座底面与舵套筒端面接触为无穿透；舵承本体外缘与止推楔块间接触为无穿透；止推楔块与止推座间接触为结合。3.3 零部件固定面根据上舵承在船上实际安装情况，设置：模型固定面为止推座与舵机舱甲板焊接面；舵套筒与尾部船体焊接面。图 4 上舵承三维装配图图 5 仿真模型组件图 6 上舵承本体应力云图(30MPa)图 7 止推块应力云图(10MPa)图 16 不同螺栓预紧力下的舵承本体及止推块应力图 5 仿真模型组件图 6 上舵承本体应力云图(30MPa)图 7 止推块应力云图(10MPa)图 16 不同螺栓预紧力下的舵承本体及止推块应力28 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）设计与研究3.4 径向载荷及螺柱预紧力根据舵系计算书，施加在上舵承处的径向载荷约为 600 kN。考虑到上舵承内壁承受径向载荷时并非整个内壁均匀受力，考虑安全余量的径向载荷施加在本体内壁部分区域；上舵承本体间连接螺栓及与舵套筒紧固双头螺柱型号均为 8.8 级 M39，实际安装时拧紧力矩约为 2 850 Nm，预紧力约为 370 000 N，因此仿真分析分别在预紧力为 150 000 N、200 000 N、250 000 N、300 000 N 及 350 000 N 情况下展开，考虑到双头螺柱预紧力实际的施加情况，设定力施加在双头螺柱螺母端面以模拟螺柱预紧力。3.5 模型网格Solisworks/Simulation 有三种 automeshers 可供选择：（1）基于标准的网格。标准网格格划分器，非常适合创建元素大小非常均匀的对称网格；（2）基于曲率的网格。基于曲率的网格使用可变的元素大小，以使其在处理复杂几何或小特征时更加灵活和健壮；（3）混合曲率的网格。对无法使用标准网格或基于曲率的网格进行网格化的模型，使用基于混合曲率的网格。基于对模型仿真速度及仿真准确度的综合考虑，本仿真采用基于曲率的网格结合网格控制对模型进行划分，零部件在曲率变化较大处会有更密的网格，较小的零部件相对于较大的零部件设置更小的网格单元，非分析重点零部件设置较大的网格单元。3.6 仿真结果分析设置仿真器参数及解算器参数，在径向载荷 900 kN、双 头 螺 柱 预 紧 力 分 别 为 150 000 N、200 000 N、250 000 N、300 000 N 及 350 000 N 条件下进行仿真分析：（1）上舵承本体及止推块应力云图，如图 6、图7 所示。为更加直观的观察上舵承本体及止推块的应力分布情况，对应力云图进行 ISO 剪裁，其中设定上舵承本体显示应力超过 30 MPa 区域，设定止推块显示应力超过 10 MPa 区域。图 6 上舵承本体应力云图(30 MPa)图 7 止推块应力云图(10 MPa)由仿真结果可知：舵承本体受径向载荷一侧较另一侧舵承本体应力值大，在本体连接螺栓孔、本体固定螺柱孔及受径向载荷侧本体局部区域处应力值较大，最大值出现在受径向载荷侧螺柱孔处约为 119 MPa，本体屈服强度约为 230 MPa，本体强度满足使用要求；止推块应力大值出现在受径向载荷一侧楔块处，楔块的底角出现应力集中，相对楔块其他区域应力更大，止推块应力最大值约为 268 MPa，止推块材料为 EH36，屈服强度约为 355 MPa，强度满足使用要求。（2）径向载荷 900 kN、螺栓预紧力 200 000 N 条件下，上舵承本体及止推块应力云图，如图8、图9所示。图 8 上舵承本体应力云图(30 MPa)图 9 止推块应力云图(10 MPa)由仿真结果可知：螺柱预紧力增加后，直接导致了本体螺栓孔周边应力增加，最大值约为 139 MPa；止推块的应力随着螺栓预紧力增加而减小，应力集中同样出现在楔块底角处，应力最大值约为 250 MPa。舵承本体及止推块的强度均满足使用要求。（3）径向载荷 900 kN、螺栓预紧力 250 000 N 条件下，上舵承本体及止推块应力云图，如图 10、图 11图 1 船标 B 型上舵承图 2 下沉式上舵承图 3 半下沉式上舵承图 4 上舵承三维装配图图 5 仿真模型组件图 1 船标 B 型上舵承图 2 下沉式上舵承图 3 半下沉式上舵承图 4 上舵承三维装配图图 5 仿真模型组件图 6 上舵承本体应力云图(30MPa)图 9 止推块应力云图(10MPa)图 10 上舵承本体应力云图(30MPa)图 11 止推块应力云图(10MPa)图 12 上舵承本体应力云图(30MPa)图 13 止推块应力云图(10MPa)图 14 上舵承本体应力云图(30MPa)29GUANGDONG SHIPBUILDING 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）设计与研究所示：图 10 上舵承本体应力云图(30 MPa)图 11 止推块应力云图(10 MPa)由仿真结果可知：舵承本体螺栓孔周边应力最大值增加至 173 MPa；止推块楔块底角处应力最大值减小至244 MPa。舵承本体及止推块的强度均满足使用要求。（4）径向载荷 900 kN、螺栓预紧力 300 000 N 条件下，上舵承本体及止推块应力云图，如图 12、图 13所示。图 12 上舵承本体应力云图(30 MPa)图 13 止推块应力云图(10 MPa)由仿真结果可知：随着螺柱预紧力线性增加，舵承本体螺栓孔周边应力最大值增加幅度变大，最大值为 207 MPa；止推块楔块底角处应力最大值减小幅度变小，最大值为 242 MPa。舵承本体及止推块的强度均满足使用要求。（5）径向载荷 900 kN、螺栓预紧力 350 000 N 条件下，上舵承本体及止推块应力云图，如图 14、图 15所示。图 14 上舵承本体应力云图(30 MPa)图 15 止推块应力云图(10 MPa)由仿真结果可知：随着螺柱预紧力继续增加，舵承本体螺栓孔周边应力最大值增加至 241 MPa，超过了本体的屈服强度，螺栓孔周边由局部压溃的风险；止推块楔块底角处应力最大值减小幅度很小，为 242 MPa。止推块的强度均满足使用要求。为直观分析不同螺栓预紧力下的上舵承本体应力及止推块应力趋势，根据各螺栓预紧力下的仿真结果绘制折线图，如图 16 所示。图 16 不同螺栓预紧力下的舵承本体及止推块应力由舵承本体及止推块应力趋势可知：止推块的应力并不会随着螺柱预紧力的增加而持续减小，预紧力超过一定值时，止推块应力减小的幅（下转第 33 页）图 1 船标 B 型上舵承图 2 下沉式上舵承图 3 半下沉式上舵承图 4 上舵承三维装配图图 5 仿真模型组件图 6 上舵承本体应力云图(30MPa)图 7 止推块应力云图(10MPa)图 10 上舵承本体应力云图(30MPa)图 11 止推块应力云图(10MPa)图 12 上舵承本体应力云图(30MPa)图 13 止推块应力云图(10MPa)图 14 上舵承本体应力云图(30MPa)图 11 止推块应力云图(10MPa)图 12 上舵承本体应力云图(30MPa)图 13 止推块应力云图(10MPa)图 14 上舵承本体应力云图(30MPa)图 8 上舵承本体应力云图(30MPa)图 9 止推块应力云图(10MPa)图 10 上舵承本体应力云图(30MPa)图 11 止推块应力云图(10MPa)图 12 上舵承本体应力云图(30MPa)图 8 上舵承本体应力云图(30MPa)图 9 止推块应力云图(10MPa)图 10 上舵承本体应力云图(30MPa)图 11 止推块应力云图(10MPa)图 12 上舵承本体应力云图(30MPa)图 13 止推块应力云图(10MPa)图 8 上舵承本体应力云图(30MPa)图 9 止推块应力云图(10MPa)图 10 上舵承本体应力云图(30MPa)图 11 止推块应力云图(10MPa)图 12 上舵承本体应力云图(30MPa)图 13 止推块应力云图(10MPa)图 14 上舵承本体应力云图(30MPa)33GUANGDONG SHIPBUILDING 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）设计与研究5 主机和发电机 SCR 空气系统设计主机和发电机无论在 TierII 还是在 TierIII 模式下，都需要消耗大量的空气，根据设备厂家提供的资料：排放 II 模式下：主机+1 台发电机空气耗量：95+12.6=107.6 Nm3/h；排放 III 模式下：主机+1 台发电机空气耗量：180+45=225 Nm3/h；主机 SCR 系统需工作空气压力 78 bar，发电机SCR 需工作空气压力 710 bar。初步设计有两种方案：方案一：单独配置一套空压机和空气瓶以及干燥器，供主机和发电机的 SCR 系统专用，这是目前普遍采用的方式。方案二：和船上现有的工作空压机和空气瓶以及干燥器共用，加大原来的空压机和空气瓶以及干燥器的容量。这两种方案综合成本对比分析，见表 1。表 1 排放 II 和 III 模式下 SCR 系统空压机配置对比排放 III 船型 SCR 系统空压机配置对比方案一：单独配一套空压机和空气瓶以及干燥器序号名称参数数量价格：万元1SCR 空压机250 m3/h，10 bar。16.902SCR 空气瓶1.5 m3，10 bar。13.403SCR 干燥器250m3/h12.58总价12.88方案二：和船上的工作空压机和空气瓶以及干燥器共用，加大原来的容量。序号名称参数数量价格：万元1工作空压机390 m3/h，10 bar。111.502工作空气瓶2.0 m3，10 bar。13.603干燥器300 m3/h13.55总价18.65排放 II 船型现有的配置序号名称参数数量价格：万元1工作空压机170 m3/h，7 bar。16.142工作空气瓶0.5 m3，7 bar。12.503干燥器50m3/h11.16总价9.80考虑 SCR 系统用气特征，单独配一套空压机，同时以船上原来的工作空压机作为备用，即采用方案一：单独配置一套 SCR 系统专用空压机、空气瓶和干燥器，同时从机舱压缩空气系统中接一路压缩空气至该 SCR空气系统，作为备用。6 结束语该系统涉及设备众多，设备、管路布置复杂，涉及多专业协调沟通，经过反复研究讨论，经历时间较长，最终形成了具有特色的主机和发电机 TierIIISCR 系统的布置方案，在行业内具有一定的领先性，增加了本船的市场竞争力。（1）主机和发电机 SCR 系统设备、管路布置得到了最优的布置方案，同时对周围船体结构的修改也最小；（2）尿素舱布置在艉压载舱里，由于舱室周围海水的存在，更有利于尿素溶液的存放，不用再在尿素舱里面布置冷却海水管；（3）发电机废气在 TierII 模式下能够进锅炉，增加了锅炉蒸汽产量，为船舶航行提供了更加充足的蒸汽量；（4）主机上的 RBV 和 RTV 阀集成在主机上，更有利于船上主机 HPSCR 系统管路的布置。（上接第 29 页）度很有限，反而过大的预紧力会使舵承本体螺栓孔局部区域存在压溃的风险，对上舵承本体的紧固及上舵承与舵套筒的紧固带来损害，因此合理的螺柱预紧力选择十分重要，较为合理的舵系上舵承预紧力值为200 000 N250 000 N。4 结语针对螺栓预紧力的大小对上舵承本体及止推块强度影响较大问题，本文使用三维软件 Solidworks/Simulation 对分析对象进行建模，并完成不同螺栓预紧力下的上舵承结构强度有限元分析。仿真结果表明，上舵承止推块的应力并不会随着螺柱预紧力的增加而持续减小，当螺柱预紧力超过一定值时，止推块应力减小的幅度很有限，反而过大的预紧力会使舵承本体螺栓孔局部区域存在压溃的风险。本文根据舵承本体及止推块应力趋势，最后确定了适用于 2 600 TEU 集装箱船舵系上舵承的螺柱预紧力值。参考文献1中国船舶工业集团公司,中国船舶重工集团公司,中国造船工程学会.船舶设计实用手册 M.北京:国防工业出版社,2013.2 魏峥,赵功,宋晓明.Solid Works 设计与应用教程 M.北京:清华大学 出版社,2009.