螺栓預(yù)緊力對(duì)上舵承的強(qiáng)度影響分析

陳壯 陳路 張夢(mèng)婷

摘? ? 要：船舶平面摩擦上舵承通常配備止推塊及緊固螺栓（或緊固螺柱），用于承受由舵葉水動(dòng)力引起的徑向載荷。緊固螺栓可承受徑向載荷值與螺栓預(yù)緊力值成正比關(guān)系，在徑向載荷不變的情況下，通過(guò)調(diào)整螺栓預(yù)緊力值可改變螺栓可承受徑向載荷值，進(jìn)而對(duì)上舵承本體及止推塊強(qiáng)度產(chǎn)生影響。本文以2600TEU集裝箱船上舵承為實(shí)例，使用軟件Solidworks/Simulation 模塊對(duì)不同螺栓預(yù)緊力下的上舵承強(qiáng)度展開(kāi)分析，確定適用于本船上舵承螺栓預(yù)緊力范圍。本文仿真分析的方法和結(jié)果，為類(lèi)似上舵承螺栓預(yù)緊力分析提供了很大的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：上舵承；螺栓預(yù)緊力；Solidworks/Simulation

中圖分類(lèi)號(hào)：U664.4? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Simulation 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/Simulation

1? ? ?前言

平面摩擦上舵承作為船舶舵系的重要組成部分，其主要作用是承受由舵葉上水動(dòng)力引起的徑向載荷及由舵系重力引起的軸向載荷。常用的平面摩擦上舵承，包括：

（1）與普通半懸掛舵系適配的船標(biāo)A型及B型上舵承。其中，船標(biāo)B型上舵承工作原理為上舵承本體通過(guò)六角頭螺栓緊固于上舵承基座（如圖1所示），本體外周均勻分布一定數(shù)量的止推塊，止推塊焊接在上舵承基座上，緊固螺栓及止推塊用于承受徑向載荷，上舵承架內(nèi)嵌于舵桿凹槽，以承受包括舵葉、舵桿、舵柄及液壓螺母等舵系部件的重力[1]；

（2）與全懸掛舵適配的下沉式上舵承（如圖2所示）。其原理為上舵承本體內(nèi)嵌于全懸掛舵套筒且通過(guò)雙頭螺柱緊固于舵套筒，本體外周均勻分布一定數(shù)量的止推塊，上舵承整體位于舵機(jī)艙甲板以下，雙頭螺柱、止推塊用于承受徑向載荷，上舵承架則用于承受舵系重力；

（3）能適配普通半懸掛舵及全懸掛舵的半下沉式上舵承（如圖3所示）。其原理為上舵承整體位于舵機(jī)艙甲板以上，本體下緣部分內(nèi)嵌于舵套筒。與下沉式上舵承類(lèi)似，半下沉式上舵承通過(guò)雙頭螺柱及止推塊承受徑向載荷，上舵承架承受舵系重力。

由以上三種類(lèi)型平面摩擦上舵承可知，上舵承均使用止推塊及緊固螺栓（或緊固螺柱）用于承受由舵葉水動(dòng)力引起的徑向載荷，由上舵承組件基本原理可知，在徑向載荷不變的情況下，通過(guò)調(diào)整螺栓預(yù)緊力值可改變螺栓可承受徑向載荷值，進(jìn)而對(duì)上舵承本體及止推塊強(qiáng)度產(chǎn)生影響。因此，有必要對(duì)不同螺栓預(yù)緊力下的上舵承強(qiáng)度展開(kāi)分析，以確定較為合理的螺栓預(yù)緊力。

SolidWorks/Simulation是一個(gè)完全集成于三維軟件SolidWorks設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)，憑借著快速解算器的強(qiáng)有力支持，SolidWorks/Simulation 可進(jìn)行零件和產(chǎn)品應(yīng)力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析、優(yōu)化分析及流體分析等仿真分析[2]?？紤]到SolidWorks/Simulation在零件和產(chǎn)品設(shè)計(jì)和仿真一體化分析方面的優(yōu)勢(shì)，本文使用SolidWorks/Simulation對(duì)不同螺栓預(yù)緊力下的上舵承強(qiáng)度進(jìn)行分析。

2? ? 半下沉平面摩擦上舵承原理

本文以中船集團(tuán)上海船舶研究設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的2600 TEU支線(xiàn)集裝箱船舵系的半下沉式水密上舵承為分析對(duì)象，在軟件Solidworks中建立其三維模型，其上舵承三維裝配圖如圖4所示。

半下沉水密上舵承本體及舵承架均為Half型，兩舵承架通過(guò)4組螺栓螺母緊固連接，舵承架位于本體上方，用于承受舵系重力；兩舵承本體通過(guò)8組螺栓螺母緊固連接，然后通過(guò)18組雙頭螺柱螺母固定于舵套筒端部法蘭面，舵承本體外周對(duì)稱(chēng)布置了6組焊接于舵機(jī)艙甲板的止推塊，雙頭螺柱及止推塊用于承受作用在舵承本體上的徑向載荷。

3? ? Solidworks/Simulation有限元分析

本文重點(diǎn)分析不同螺柱預(yù)緊力下的上舵承本體及止推塊強(qiáng)度?？紤]到零部件的數(shù)量及零部件相互接觸面數(shù)量直接影響仿真的速度及穩(wěn)定性，結(jié)合對(duì)上舵承各組件受力初步分析，對(duì)仿真模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，僅分析徑向載荷作用在舵承本體時(shí)上舵承的強(qiáng)度。簡(jiǎn)化后的仿真模型，如圖5所示。

3.1? ?零部件材料屬性

仿真模型組件，包括：上舵承本體、舵承本體緊固螺栓螺母、舵承本體緊固雙頭螺柱螺母、止推塊、舵套筒及舵機(jī)艙甲板。根據(jù)模型組件設(shè)計(jì)計(jì)算及選型，設(shè)定其材料參數(shù)：舵承本體及舵套筒為鑄造碳鋼ZG230-450；止推塊為EH36板；緊固螺栓及雙頭螺柱為8.8級(jí)，其配套厚螺母、薄螺母均為8級(jí)。

3.2? ?零部件接觸約束

根據(jù)模型零部件的實(shí)際接觸情況，考慮到零部件接觸面的類(lèi)型和數(shù)量對(duì)仿真速度有很大影響，設(shè)置：舵承本體間接觸為無(wú)穿透；舵承本體緊固螺栓螺母與舵承本體間接觸為無(wú)穿透；雙頭螺柱螺母與舵承本體間、舵套筒間接觸為無(wú)穿透；緊固螺栓與螺母間接觸為結(jié)合；雙頭螺柱與螺母間接觸為結(jié)合；舵承本體底面、止推座底面與舵套筒端面接觸為無(wú)穿透；舵承本體外緣與止推楔塊間接觸為無(wú)穿透；止推楔塊與止推座間接觸為結(jié)合。

3.3? ?零部件固定面

根據(jù)上舵承在船上實(shí)際安裝情況，設(shè)置：模型固定面為止推座與舵機(jī)艙甲板焊接面；舵套筒與尾部船體焊接面。

3.4? ?徑向載荷及螺柱預(yù)緊力

根據(jù)舵系計(jì)算書(shū)，施加在上舵承處的徑向載荷約為600 kN?？紤]到上舵承內(nèi)壁承受徑向載荷時(shí)并非整個(gè)內(nèi)壁均勻受力，考慮安全余量的徑向載荷施加在本體內(nèi)壁部分區(qū)域；上舵承本體間連接螺栓及與舵套筒緊固雙頭螺柱型號(hào)均為8.8級(jí)M39，實(shí)際安裝時(shí)擰緊力矩約為2 850N·m，預(yù)緊力約為370000 N，因此仿真分析分別在預(yù)緊力為150000 N、200000 N、250000 N、300000N及350000 N情況下展開(kāi)，考慮到雙頭螺柱預(yù)緊力實(shí)際的施加情況，設(shè)定力施加在雙頭螺柱螺母端面以模擬螺柱預(yù)緊力。

3.5? ?模型網(wǎng)格

Solisworks/Simulation有三種automeshers可供選擇：（1）基于標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格。標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格格劃分器，非常適合創(chuàng)建元素大小非常均勻的對(duì)稱(chēng)網(wǎng)格；（2）基于曲率的網(wǎng)格?；谇实木W(wǎng)格使用可變的元素大小，以使其在處理復(fù)雜幾何或小特征時(shí)更加靈活和健壯；（3）混合曲率的網(wǎng)格。對(duì)無(wú)法使用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格或基于曲率的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格化的模型，使用基于混合曲率的網(wǎng)格?；趯?duì)模型仿真速度及仿真準(zhǔn)確度的綜合考慮，本仿真采用基于曲率的網(wǎng)格結(jié)合網(wǎng)格控制對(duì)模型進(jìn)行劃分，零部件在曲率變化較大處會(huì)有更密的網(wǎng)格，較小的零部件相對(duì)于較大的零部件設(shè)置更小的網(wǎng)格單元，非分析重點(diǎn)零部件設(shè)置較大的網(wǎng)格單元。

3.6? 仿真結(jié)果分析

設(shè)置仿真器參數(shù)及解算器參數(shù)，在徑向載荷900kN、雙頭螺柱預(yù)緊力分別為150000N、200000N、250000N、300000N及350000N條件下進(jìn)行仿真分析：

（1）上舵承本體及止推塊應(yīng)力云圖，如圖6、圖7所示。為更加直觀(guān)的觀(guān)察上舵承本體及止推塊的應(yīng)力分布情況，對(duì)應(yīng)力云圖進(jìn)行ISO剪裁，其中設(shè)定上舵承本體顯示應(yīng)力超過(guò)30 MPa區(qū)域，設(shè)定止推塊顯示應(yīng)力超過(guò)10 MPa區(qū)域。

由仿真結(jié)果可知：舵承本體受徑向載荷一側(cè)較另一側(cè)舵承本體應(yīng)力值大，在本體連接螺栓孔、本體固定螺柱孔及受徑向載荷側(cè)本體局部區(qū)域處應(yīng)力值較大，最大值出現(xiàn)在受徑向載荷側(cè)螺柱孔處約為119 MPa，本體屈服強(qiáng)度約為230 MPa，本體強(qiáng)度滿(mǎn)足使用要求；止推塊應(yīng)力大值出現(xiàn)在受徑向載荷一側(cè)楔塊處，楔塊的底角出現(xiàn)應(yīng)力集中，相對(duì)楔塊其他區(qū)域應(yīng)力更大，止推塊應(yīng)力最大值約為268 MPa，止推塊材料為EH36，屈服強(qiáng)度約為355 MPa，強(qiáng)度滿(mǎn)足使用要求。

（2）徑向載荷900 kN、螺栓預(yù)緊力200000N條件下，上舵承本體及止推塊應(yīng)力云圖，如圖8、圖9所示。

由仿真結(jié)果可知：螺柱預(yù)緊力增加后，直接導(dǎo)致了本體螺栓孔周邊應(yīng)力增加，最大值約為139 MPa；止推塊的應(yīng)力隨著螺栓預(yù)緊力增加而減小，應(yīng)力集中同樣出現(xiàn)在楔塊底角處，應(yīng)力最大值約為250 MPa。舵承本體及止推塊的強(qiáng)度均滿(mǎn)足使用要求。

（3）徑向載荷900 kN、螺栓預(yù)緊力250000 N條件下，上舵承本體及止推塊應(yīng)力云圖，如圖10、圖11所示：

由仿真結(jié)果可知：舵承本體螺栓孔周邊應(yīng)力最大值增加至173 MPa；止推塊楔塊底角處應(yīng)力最大值減小至244 MPa。舵承本體及止推塊的強(qiáng)度均滿(mǎn)足使用要求。

（4）徑向載荷900kN、螺栓預(yù)緊力300000N條件下，上舵承本體及止推塊應(yīng)力云圖，如圖12、圖13所示。

由仿真結(jié)果可知：隨著螺柱預(yù)緊力線(xiàn)性增加，舵承本體螺栓孔周邊應(yīng)力最大值增加幅度變大，最大值為207 MPa；止推塊楔塊底角處應(yīng)力最大值減小幅度變小，最大值為242 MPa。舵承本體及止推塊的強(qiáng)度均滿(mǎn)足使用要求。

（5）徑向載荷900 kN、螺栓預(yù)緊力350000N條件下，上舵承本體及止推塊應(yīng)力云圖，如圖14、圖15所示。

由仿真結(jié)果可知：隨著螺柱預(yù)緊力繼續(xù)增加，舵承本體螺栓孔周邊應(yīng)力最大值增加至241 MPa，超過(guò)了本體的屈服強(qiáng)度，螺栓孔周邊由局部壓潰的風(fēng)險(xiǎn)；止推塊楔塊底角處應(yīng)力最大值減小幅度很小，為242 MPa。止推塊的強(qiáng)度均滿(mǎn)足使用要求。

為直觀(guān)分析不同螺栓預(yù)緊力下的上舵承本體應(yīng)力及止推塊應(yīng)力趨勢(shì)，根據(jù)各螺栓預(yù)緊力下的仿真結(jié)果繪制折線(xiàn)圖，如圖16所示。

由舵承本體及止推塊應(yīng)力趨勢(shì)可知：止推塊的應(yīng)力并不會(huì)隨著螺柱預(yù)緊力的增加而持續(xù)減小，預(yù)緊力超過(guò)一定值時(shí)，止推塊應(yīng)力減小的幅度很有限，反而過(guò)大的預(yù)緊力會(huì)使舵承本體螺栓孔局部區(qū)域存在壓潰的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)上舵承本體的緊固及上舵承與舵套筒的緊固帶來(lái)?yè)p害，因此合理的螺柱預(yù)緊力選擇十分重要，較為合理的舵系上舵承預(yù)緊力值為200000N～250000N。

4? ? ?結(jié)語(yǔ)

針對(duì)螺栓預(yù)緊力的大小對(duì)上舵承本體及止推塊強(qiáng)度影響較大問(wèn)題，本文使用三維軟件Solidworks/Simulation對(duì)分析對(duì)象進(jìn)行建模，并完成不同螺栓預(yù)緊力下的上舵承結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析。仿真結(jié)果表明，上舵承止推塊的應(yīng)力并不會(huì)隨著螺柱預(yù)緊力的增加而持續(xù)減小，當(dāng)螺柱預(yù)緊力超過(guò)一定值時(shí)，止推塊應(yīng)力減小的幅度很有限，反而過(guò)大的預(yù)緊力會(huì)使舵承本體螺栓孔局部區(qū)域存在壓潰的風(fēng)險(xiǎn)。本文根據(jù)舵承本體及止推塊應(yīng)力趨勢(shì)，最后確定了適用于2 600TEU集裝箱船舵系上舵承的螺柱預(yù)緊力值。

參考文獻(xiàn)

[1]中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司，中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司，中國(guó)造船工程學(xué)會(huì).?船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)[M].北京： 國(guó)防工業(yè)出版社， 2013.

[2]魏崢，趙功，宋曉明. Solid Works 設(shè)計(jì)與應(yīng)用教程[M].北京： 清華大學(xué)出版社， 2009.

作者簡(jiǎn)介：陳? 壯 （1991-），男，工程師。從事船舶舾裝設(shè)計(jì)工作。

陳? 路 （1989-），男，工程師。從事船舶電氣設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2022-06-27