Designing bolt joints of fixed-pitch built-up ship propellers

Abstract

A method of designing bolt joints between the blades and hub of a fixed-pitch built-up ship propeller was studied in this thesis assigned by Steerprop Oy. Propeller design literature, classification rules and the VDI 2230 standard for calculating bolt joints were reviewed. A Microsoft Excel workbook was drawn up to calculate the bolt joints of a built-up propeller following the instructions of the standard. The distribution of loading among the bolts is calculated utilizing the rigid body method in the calculation tool. The tool was tested with input from an existing exemplary built-up propeller design, and the calculation results were compared with values extracted from a finite element calculation model. The studied propeller design has a curved bolt joint interface, and its properties were further studied by the finite element model and compared to a modified configuration with a planar interface.

The result of this work serves as a basis for further research, which is necessary before the Excel tool can be applied in practice. Notable differences were found between the outcome of finite element analysis and calculations of the newly developed workbook, mainly rising from the method of assessing bolt load distribution for which the rigid body method as such proved to be insufficient in this case. Loads assigned to each bolt affect the results of single-bolt joint calculations. To develop the calculation tool, modifying the rigid body model to calculate the required minimum clamp load by the criteria of preventing one-sided opening of the joint instead of the current application where friction is definitive could be studied, or a more complex elastomechanical approach could be considered. On the other hand, the Excel tool developed can also easily be converted to calculate simpler and more common bolt joints with planar interfaces and thus aid in their design.

Tässä Steerprop Oy:n toimeksi antamassa diplomityössä tutkittiin metodia kiinteälapaisen laivan irtolapapotkurin lavan ja navan välisten pulttiliitosten suunnittelemiseksi. Tutustuttiin potkurisuunnittelua käsittelevään kirjallisuuteen, luokitussääntöihin ja pulttiliitosten laskennassa opastavaan VDI 2230 -standardiin. Pulttiliitosten laskemiseksi standardin ohjeita seuraten laadittiin Microsoft Excel -työkirja. Kuorman jakautuminen pulttien kesken lasketaan laskentatyökalussa jäykän kappaleen menetelmällä. Työkalua testattiin antamalla syötteeksi olemassa olevan esimerkkipotkurin mallin tietoja, ja laskennan tuloksia verrattiin arvoihin, jotka saatiin elementtimenetelmällä laskentamallista. Tutkitussa potkurimallissa pulttiliitospinta on kaareva, ja sen ominaisuuksia tutkittiin lisää elementtimenetelmällä ja verrattiin muokattuun malliin, jossa liitospinta on tasomainen.

Tämän työn tulos toimii pohjana lisätutkimuksille, jotka ovat välttämättömiä ennen kuin Excel-työkalua voi soveltaa käytännössä. Elementtimenetelmän analyysin ja kehitetyn uuden työkirjan tulosten välillä havaittiin huomattavia eroja. Erot johtuvat pääasiassa tavasta, jolla kuormat jaetaan pulttien kesken. Tähän tarkoitukseen jäykän kappaleen malli sellaisenaan osoittautui tässä tapauksessa riittämättömäksi. Kullekin pultille osoitetut kuormat vaikuttavat yksittäisten pulttiliitosten laskennan tuloksiin. Laskentatyökalun kehittämiseksi voisi tutkia jäykän kappaleen mallin muokkaamista siten, että tarvittava pienin puristuskuorma laskettaisiin yksipuolisen aukeamisen estämisen ehdoilla eikä nyt toteutetulla tavalla, jossa kitka on määräävä tekijä. Monimutkaisempaa elastomekaanista lähestymistapaakin voisi selvittää. Toisaalta laadittu Excel-työkalu on myös helppo muokata laskemaan yksinkertaisempia ja yleisempiä pulttiliitoksia, joilla on tasomainen liitospinta, ja näin auttamaan niiden suunnittelussa.