47kt高舵效船艉与舵设计及舵效数值模拟研究
摘 要摘 要舵的特性严重影响着船舶的操纵性和耐波性，影响着船舶行驶的方向。因此舵设计这个环节就显得非常重要了。通常在船的剖参数已经规定的情况下，对于舵的设计，包括的内容主要就是关于舵型的设计、强度方面的校核、阻力计算与分析以及船舶操纵性验证这一系列环节。为了更好更快的提高舵在设计时的效率，降低设计者们的工作强度[1]，我们开发设计了船舶舵设计模型建立以及阻力分析的软件fine-marine，并以散货型船为例进行了计算和研究分析，采用软件所设计的舵特性基本满足预期要求。在整个船舶的高效舵体系当中，通常对于舵叶的固定和旋转，都是由舵杆和套筒配合使用来完成的。这个系统结构能够设计的最主要的方面就是选择合理的舵杆以及套筒结构，但是到现在，我们还是没能找到者们设计知道的方面，有点遗憾。为此设计者们开发了一套直接有效的计算估计方法，这种方法主要是针对船体高效舵系统舵杆以及套筒结构强度的。 关键词:舵设计；高舵效系统；阻力分析；fine-marine；计算目录
第1章 绪论
1.1前言 1
1.2船用舵简介 3
1.2.1舵的分类 3
1.2.2舵的基本参数 5
1.2.3舵剖面的几何参数 5
1.2.4舵数目及型式的确定 6
1.2.5按模型试验资料计算舵的水动力性能 7
1.3 4060kt散货船简介 7
1.4 课题背景 9
1.4.1国外研究现状 10
1.4.2 国内研究现状 11
1.4.3我国对高舵效船艉方面的设计研究 13
1.5论文研究的目的和意义 15
1.6论文的主要内容 16
第2章 三维几何建模与finemarine软件的运用 17
2.1三维几何建模 17
2.1finemarine简介 18
2.2.1网格制作HEXPRESS 19
2.1.2船模流场求解计算ISISCFD 23
2.1.3计算结果显示与处理CFVIEW 25
第3章47kt高舵效船艉与舵阻力性能及流线状态和常规船艉与舵阻力性能及流线状态性能作对比分析 28
第
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
r /> 2.1三维几何建模 17
2.1finemarine简介 18
2.2.1网格制作HEXPRESS 19
2.1.2船模流场求解计算ISISCFD 23
2.1.3计算结果显示与处理CFVIEW 25
第3章47kt高舵效船艉与舵阻力性能及流线状态和常规船艉与舵阻力性能及流线状态性能作对比分析 28
第4章 结论与展望 29
参考文献 30
致 谢 31
第一章 绪论
1.1前言
操舵装置、传动装置、动力装置、转动装置、舵装置和操纵装置是舵装置的6个主要部分组成。舵装置主要由舵叶、传动装置、转舵装置、操舵装置和舵机等部分组成。其中舵机和转舵装置安装在船尾。我们都已经知道，舵设备（rudder and steering gear）是用来改变和维持船舶原来行驶方向的装置，它是由舵和操舵这两部分构成。船舶在水面航行的时侯，通过操舵装置使得舵叶进行转动，从而舵叶上的水流能够在横向上产生一个作用力，这个总作用力为船舶提供了回转力矩，这样船舶就能保持原来的航向或具有良好的回转性能。现代船舶的设计要求非常高，他严格规定所设计的船舶必须具备良好的操纵性[2]，这也给舵的设计提出了更高的要求。船舶操纵性能的好坏优劣不仅是与船舶的主尺度、外形等要素有密切的关系，而且具体采用什么样的操纵装置，也是一个重要方面，切不可以忽视。舵属于一种非常重要的船舶操纵类装备，少了它是万万不可的。它的用途就是为船舶行驶时提供强有力的控制力，确保船舶能够顺利航行，另一方面就是改变船舶航行前进的方向或让船舶按照已经规定的航线进行航行，这一点是非常重要的。舵设备由于具有性能优越，操作很方便而且结构比较简单等一系列优点，它就顺理成章成为了为船舶的操纵装置，从我国古代一直沿用至今，已经有几千年的历史了。但是通常情况下，船舶船型和主尺度的确定主要是把耐波性、快速性、稳性、船体总体布置等多个方面的要求一起考虑进去，只有少量的船舶对于操纵性有着特殊的要求，因此在决定船舶主尺度的时候，我们很少从操纵性的方面去上手。所以在船壳和螺旋桨已经决定之后，舵就成为了影响船舶操纵性的唯一决定因素。固然舵的设计已经变得非常重要，普遍受人重视了，但实际上舵设备的整体设计程度却没有达到预期的高度，这一点让人很遗憾。到目前为止，绝大多数的舵设计工作仅仅还是保持在人工绘图的阶段，虽然技术不断在更新发展，现在设计师已经有了AutoCAD等高效简便的绘图软件，为舵的设计节约了大量的时间和劳动力。但是在舵的设计分析过程中并不是一成不变的，要根据实际情况去处理问题，所以我们还是要一边设计一边修改，主要就是会经常有些尺寸需要有点细微的变化，虽然修改的量不大，但还是会导致相关绘图的一系列改动，必然对后续的一些强度计算工作提出了更高的要求。反复的修改设计更是加大了工作量，繁琐而又重复的工作使设计者们感到疲惫和厌倦，从而降低了工作效率，更关键的是还很容易出错。所以这就要求我们在舵设计的这个环节要处理得更好。
1.2船用舵简介
1.2.1舵的分类
为了让船舶具有良好的操纵性能，保证船行驶的安全性，通常采用的方法就是靠改变船体首部和尾部的局部形状，再加上设置一些鳍状附体和操纵装置等措施才能得以实现。当前的操纵装置可以分为很多类，而且几乎每种舵装置在船舶上都有或多或少的运用。选取何种形式的操纵装备，还有怎么样去选取，这些还是需要按照实际情况来具体分析。如果按照操纵力是如何产生的就大体可以分为两类：第一类是升力操纵装置，主要体现在船舶行驶的过程中，由于操纵装置产生了升力，再利用升力对船舶进行操纵和控制，使船舶顺利航行。常用的有普通舵、襟翼舵、组合舵、转柱舵、主动舵等；另外一类则是利用推力实现操纵的装置，由推进装置所产生的推力来操控船舶的行驶的方向，也就是说这种情况下，推进装置与操纵装置是合二为一的，比如直翼推进器、Z形推进器、转动导管、侧推装置等一些列装置。举个例子，在我们熟悉的内河顶推船队上，一般采用的是“倒车舵+固定导管桨+正车舵”装置，这种装置可以普遍提高倒车的操纵性能。而如果采用转柱舵、主动舵等就可以提高在锚泊情况下，低速行驶船舶的操纵性。为了便于船舶横向靠近码头以及换向，在大型客船以及轮渡等船上也可以安装侧推装置，相信我们在现实生活中也会看到一些。绝大多数船舶使用的是常规型舵装置，它不仅结构简单，而且操作方便，使用的历史也最悠久的，深得人们的喜爱。常规的舵类型可以按照以下原则进行分类。如果按照舵面相对于转动轴位置的分布情况来分的话，通常可以分为以下几类[15]：(1)普通舵：舵的全部面积都分布在转轴后方。这种舵在舵柱上有许多个支点，所以强度相对而言较好，但是不足之处就是所需的舵机功率必须较大。(2)平衡舵：这种舵的水动力性能的作用点比较靠近转轴，所以转舵的力矩相对来说小一点，相比起普通的舵，这种舵就更加节约舵机的功率，但缺点也很明显，就是支点较少，这对强度来说是非常不利的。(3)半平衡舵：舵面积是舵高中的一部分，而且舵面积位于舵轴线的前方。这种舵的性能要介于上述两种舵的性能之间。如果按照舵剖面具体结构情况的不同又可以分为以下几类：(1)平底舵：舵叶是由一系列平板所组成的，在横向上会设置一些加强筋。通常情况下这种舵的结构比较简单，成本也很低，但是它的缺点也很多，比如它所产生的阻力较大，升力很小，舵效率也非常低。(2)流线型舵：舵叶的水平剖面都是呈流线型的，它拥有比较好的水动力性能，舵效也相当可观。这种舵目前已经被广泛采用，而且效果不错。(3)特种舵：这种舵有与舵作用基本是相同的，但是它的构造各不相同。比如内河船舶经常用的襟翼舵、转柱舵等。如果按照舵按支承的情形又可以分为：(1)多支承舵：该舵与船体和尾柱连接，连接处有三个以上的舵钮(2)双支承舵：除了上支承以外，还有一个下支承设置在舵根，这种舵比较稳定。(3)半悬挂舵：它的下支承的位置在舵的一半高度处(4)悬挂舵：整个舵叶都是悬挂在舵杆上的，现在船舶普遍采用的舵基本上都是流线型的半悬挂平衡舵。它的挂舵臂上端能直接伸入船体内部，下端靠近舵的压力中心，这就使得它的受力情况
第1章 绪论
1.1前言 1
1.2船用舵简介 3
1.2.1舵的分类 3
1.2.2舵的基本参数 5
1.2.3舵剖面的几何参数 5
1.2.4舵数目及型式的确定 6
1.2.5按模型试验资料计算舵的水动力性能 7
1.3 4060kt散货船简介 7
1.4 课题背景 9
1.4.1国外研究现状 10
1.4.2 国内研究现状 11
1.4.3我国对高舵效船艉方面的设计研究 13
1.5论文研究的目的和意义 15
1.6论文的主要内容 16
第2章 三维几何建模与finemarine软件的运用 17
2.1三维几何建模 17
2.1finemarine简介 18
2.2.1网格制作HEXPRESS 19
2.1.2船模流场求解计算ISISCFD 23
2.1.3计算结果显示与处理CFVIEW 25
第3章47kt高舵效船艉与舵阻力性能及流线状态和常规船艉与舵阻力性能及流线状态性能作对比分析 28
第
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
r /> 2.1三维几何建模 17
2.1finemarine简介 18
2.2.1网格制作HEXPRESS 19
2.1.2船模流场求解计算ISISCFD 23
2.1.3计算结果显示与处理CFVIEW 25
第3章47kt高舵效船艉与舵阻力性能及流线状态和常规船艉与舵阻力性能及流线状态性能作对比分析 28
第4章 结论与展望 29
参考文献 30
致 谢 31
第一章 绪论
1.1前言
操舵装置、传动装置、动力装置、转动装置、舵装置和操纵装置是舵装置的6个主要部分组成。舵装置主要由舵叶、传动装置、转舵装置、操舵装置和舵机等部分组成。其中舵机和转舵装置安装在船尾。我们都已经知道，舵设备（rudder and steering gear）是用来改变和维持船舶原来行驶方向的装置，它是由舵和操舵这两部分构成。船舶在水面航行的时侯，通过操舵装置使得舵叶进行转动，从而舵叶上的水流能够在横向上产生一个作用力，这个总作用力为船舶提供了回转力矩，这样船舶就能保持原来的航向或具有良好的回转性能。现代船舶的设计要求非常高，他严格规定所设计的船舶必须具备良好的操纵性[2]，这也给舵的设计提出了更高的要求。船舶操纵性能的好坏优劣不仅是与船舶的主尺度、外形等要素有密切的关系，而且具体采用什么样的操纵装置，也是一个重要方面，切不可以忽视。舵属于一种非常重要的船舶操纵类装备，少了它是万万不可的。它的用途就是为船舶行驶时提供强有力的控制力，确保船舶能够顺利航行，另一方面就是改变船舶航行前进的方向或让船舶按照已经规定的航线进行航行，这一点是非常重要的。舵设备由于具有性能优越，操作很方便而且结构比较简单等一系列优点，它就顺理成章成为了为船舶的操纵装置，从我国古代一直沿用至今，已经有几千年的历史了。但是通常情况下，船舶船型和主尺度的确定主要是把耐波性、快速性、稳性、船体总体布置等多个方面的要求一起考虑进去，只有少量的船舶对于操纵性有着特殊的要求，因此在决定船舶主尺度的时候，我们很少从操纵性的方面去上手。所以在船壳和螺旋桨已经决定之后，舵就成为了影响船舶操纵性的唯一决定因素。固然舵的设计已经变得非常重要，普遍受人重视了，但实际上舵设备的整体设计程度却没有达到预期的高度，这一点让人很遗憾。到目前为止，绝大多数的舵设计工作仅仅还是保持在人工绘图的阶段，虽然技术不断在更新发展，现在设计师已经有了AutoCAD等高效简便的绘图软件，为舵的设计节约了大量的时间和劳动力。但是在舵的设计分析过程中并不是一成不变的，要根据实际情况去处理问题，所以我们还是要一边设计一边修改，主要就是会经常有些尺寸需要有点细微的变化，虽然修改的量不大，但还是会导致相关绘图的一系列改动，必然对后续的一些强度计算工作提出了更高的要求。反复的修改设计更是加大了工作量，繁琐而又重复的工作使设计者们感到疲惫和厌倦，从而降低了工作效率，更关键的是还很容易出错。所以这就要求我们在舵设计的这个环节要处理得更好。
1.2船用舵简介
1.2.1舵的分类
为了让船舶具有良好的操纵性能，保证船行驶的安全性，通常采用的方法就是靠改变船体首部和尾部的局部形状，再加上设置一些鳍状附体和操纵装置等措施才能得以实现。当前的操纵装置可以分为很多类，而且几乎每种舵装置在船舶上都有或多或少的运用。选取何种形式的操纵装备，还有怎么样去选取，这些还是需要按照实际情况来具体分析。如果按照操纵力是如何产生的就大体可以分为两类：第一类是升力操纵装置，主要体现在船舶行驶的过程中，由于操纵装置产生了升力，再利用升力对船舶进行操纵和控制，使船舶顺利航行。常用的有普通舵、襟翼舵、组合舵、转柱舵、主动舵等；另外一类则是利用推力实现操纵的装置，由推进装置所产生的推力来操控船舶的行驶的方向，也就是说这种情况下，推进装置与操纵装置是合二为一的，比如直翼推进器、Z形推进器、转动导管、侧推装置等一些列装置。举个例子，在我们熟悉的内河顶推船队上，一般采用的是“倒车舵+固定导管桨+正车舵”装置，这种装置可以普遍提高倒车的操纵性能。而如果采用转柱舵、主动舵等就可以提高在锚泊情况下，低速行驶船舶的操纵性。为了便于船舶横向靠近码头以及换向，在大型客船以及轮渡等船上也可以安装侧推装置，相信我们在现实生活中也会看到一些。绝大多数船舶使用的是常规型舵装置，它不仅结构简单，而且操作方便，使用的历史也最悠久的，深得人们的喜爱。常规的舵类型可以按照以下原则进行分类。如果按照舵面相对于转动轴位置的分布情况来分的话，通常可以分为以下几类[15]：(1)普通舵：舵的全部面积都分布在转轴后方。这种舵在舵柱上有许多个支点，所以强度相对而言较好，但是不足之处就是所需的舵机功率必须较大。(2)平衡舵：这种舵的水动力性能的作用点比较靠近转轴，所以转舵的力矩相对来说小一点，相比起普通的舵，这种舵就更加节约舵机的功率，但缺点也很明显，就是支点较少，这对强度来说是非常不利的。(3)半平衡舵：舵面积是舵高中的一部分，而且舵面积位于舵轴线的前方。这种舵的性能要介于上述两种舵的性能之间。如果按照舵剖面具体结构情况的不同又可以分为以下几类：(1)平底舵：舵叶是由一系列平板所组成的，在横向上会设置一些加强筋。通常情况下这种舵的结构比较简单，成本也很低，但是它的缺点也很多，比如它所产生的阻力较大，升力很小，舵效率也非常低。(2)流线型舵：舵叶的水平剖面都是呈流线型的，它拥有比较好的水动力性能，舵效也相当可观。这种舵目前已经被广泛采用，而且效果不错。(3)特种舵：这种舵有与舵作用基本是相同的，但是它的构造各不相同。比如内河船舶经常用的襟翼舵、转柱舵等。如果按照舵按支承的情形又可以分为：(1)多支承舵：该舵与船体和尾柱连接，连接处有三个以上的舵钮(2)双支承舵：除了上支承以外，还有一个下支承设置在舵根，这种舵比较稳定。(3)半悬挂舵：它的下支承的位置在舵的一半高度处(4)悬挂舵：整个舵叶都是悬挂在舵杆上的，现在船舶普遍采用的舵基本上都是流线型的半悬挂平衡舵。它的挂舵臂上端能直接伸入船体内部，下端靠近舵的压力中心，这就使得它的受力情况
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