复合材料螺旋桨敞水性能与结构特性研究

针对复合材料螺旋桨流固耦合效应显著的特点，本文通过CFD计算复合材料螺旋桨所受水动力载荷，应用有限元方法计算复合材料桨叶结构响应，建立双向流固耦合数值计算方法，研究不同进速系数工况下刚性和复合材料螺旋桨的水动力性能与结构特性。研究结果表明：相较于刚性螺旋桨，复合材料螺旋桨通过弯扭耦合变形实现螺距角与攻角自适应匹配，进而提高推进效率并降低功率损耗；复合材料桨叶的最大总变形和最大等效应力随来流速度的增大而减小，随旋转速度的增大而增大。基于蔡-吴准则对复合材料螺旋桨的失效行为进行判断，蔡-吴失效系数随进速系数的增大而降低，失效区域更容易出现在桨叶叶梢处。     

船舶复合材料螺旋桨模型试验的特殊性分析

[目的]船舶复合材料螺旋桨比传统金属合金螺旋桨刚度低,在流固耦合作用下桨叶变形会对水动力和噪声性能带来显著影响,在开展复合材料螺旋桨模型试验时需予以特殊考虑。[方法]采用量纲分析方法,建立复合材料螺旋桨水动力与噪声性能的特殊相似关系及其换算方法。根据复合材料螺旋桨模型加工实物及其作用特点,分析可满足模型试验要求的特殊测试技术。[结果]结果表明,复合材料螺旋桨模型试验在满足金属合金螺旋桨模型试验的相似关系外,仍需满足桨叶水动力变形的相似关系。[结论]不同于传统金属合金螺旋桨,复合材料螺旋桨模型试验需获取螺旋桨的静态型值、力学性能和桨叶动态变形等信息,以此选择合理的螺旋桨试验模型缩比尺度及其材料;同时,试验中除要求保持模型与实尺度螺旋桨的无量纲进速系数相同外,还需满足刚度特性及叶梢马赫数的组合相似度。     

复合材料铺层角度对螺旋桨受力特性影响分析

复合材料螺旋桨具有高比强度、高阻尼等特性,可有效提高螺旋桨推进效率,这种特性与制作工艺中的铺层方案存在相关性。针对P4119桨,建立复合材料螺旋桨模型,采用流固耦合数值模拟方法,对复合材料螺旋桨形变、应力分布与推进效率进行计算。结果表明,复合材料铺层角度对螺旋桨的弯扭耦合效应产生明显效果,载荷集中区域局部叶型剖面螺距发生改变,进而影响整个螺旋桨径向范围内的螺距、侧斜与纵倾的分布情况。铺层角度0°～90°时,最大应力值下降41.06%～42.90%,推力系数下降4.12%～5.85%,扭矩系数下降4.49%～7.52%,效率提升0.39%～1.8%。因此,复合材料螺旋桨在大载荷下运行时,工况会发生改变,桨叶会随工况产生较大变形,影响其推进性能。调整复合材料铺层角度,可改善桨叶变形情况。     

非均匀伴流中复合材料螺旋桨非定常空化流固耦合研究

复合材料可改善螺旋桨空化性能及振动特性,在先进海洋推进装备领域备受关注。本文基于URANS计算复合材料螺旋桨外流场,应用FEM求解桨叶结构动态响应,并将水动力载荷及结构变形实时双向传递,建立复合材料螺旋桨非定常空化流固耦合数值计算方法。精细地模拟了桨叶经过高伴流区过程中叶梢空泡的演化;叶梢最大变形量随着叶梢空泡的初生、发展而逐渐增大,在梢涡空泡形成阶段达到最大值,然后随着空泡的溃灭而减小;揭示了复合材料的应用使螺旋桨推进效率得以提高、叶梢空化得以抑制的机理,即复合材料螺旋桨在空化水动力载荷作用下产生弯扭耦合变形,自适应地调整攻角以抑制空泡发展;对比了典型空化工况下复合材料与刚性金属螺旋桨空化水动力性能的区别;与刚性金属桨相比,复合材料螺旋桨的压力脉动峰值缓和,对非均匀伴流场的适应性更好。     

船用复合材料螺旋桨水动力性能影响因素研究

采用流固耦合算法,就材料特性、纤维方向、桨叶侧斜和负荷大小对复合材料螺旋桨水动力性能的影响展开数值计算研究。研究结果表明,当材料的平面剪切模量较低、或桨叶侧斜角度较大、或桨叶负荷较大(低进速系数或者高转速)时,桨叶的扭转变形量及水动力变化较大。纤维方向显著影响复合材料螺旋桨的流固耦合性能。直接改变桨叶材料、纤维方向或侧斜角度时,复合材料螺旋桨在大部分工况下的敞水效率均低于具有同样几何形状的金属螺旋桨,其水弹性效率的提升有赖于更完备的设计方法。     

流固耦合下的复合材料螺旋桨变形特性研究

为了研究易变性复合材料螺旋桨在水动力作用下的变形特性,通过流体计算控制方程和结构有限元方程,建立复合材料螺旋桨流固耦合算法,并利用Ansys／AnsysCFX软件计算流固耦合下指定材料的系列螺旋桨水动力性能,将NBA材料桨计算结果与试验结果进行对比,验证了流固耦合算法的准确性。分析了指定复合材料螺旋桨变形前后水动力性能变化,在此基础之上,进一步分析了复合材料桨叶在特定进速下的应力分布,以及不同进速下各桨叶的变形规律。     

基于流固耦合相互作用的复合材料螺旋桨性能研究

开展复合材料螺旋桨流固耦合相互作用分析,为复合材料螺旋桨设计提供思路,有利于进一步提高螺旋桨的性能。文章进行了螺旋桨二维弹性剖面静力学分析,进而对不同几何复合材料桨叶的流固耦合作用特性做了数值计算比较研究,在此基础上,通过与对应的刚性螺旋桨的比较计算分析,研究了在多工况下的复合材料螺旋桨水动力性能影响,探索了在来流变化过程中复合材料螺旋桨的振动性能。文中研究得出了一些有意义的结论,为复合材料螺旋桨设计及应用奠定了基础。     

复合材料螺旋桨流固耦合分析方法研究

文章基于面元法和有限元法,开展了复合材料螺旋桨流固耦合数值方法研究,着重探讨了复合材料桨叶有限元建模以及水动力外载荷与结构变形位移的流固耦合交界面数据传递问题,最终集成为一项复合材料螺旋桨流固耦合分析技术,测试了其收敛性。该技术针对5474复合材料螺旋桨的分析结果与文献结果吻合良好,为复合材料螺旋桨性能分析提供了必要的工具。     

弹性螺旋桨流固耦合振动特性分析

[目的]研究弹性螺旋桨在水流中的振动响应特性。[方法]基于CFD/FEM流固耦合方法,利用Workbench平台中的ANSYS-CFX模块对螺旋桨进行双向流固耦合水动力求解,分析弹性螺旋桨变形及应力应变响应特性;考虑到流固耦合对固有特性的影响,利用ACT_Acoustic模块计算桨叶湿模态,结合弹性螺旋桨固有特性和流固耦合水动力结果进行弹性螺旋桨频谱分析。[结果]流固耦合水动力结果相较不考虑流固耦合的定常计算结果更接近试验回归曲线;与干模态相比,弹性螺旋桨前5阶湿模态固有频率减小19%～37%,且四阶和五阶干湿模态振型存在交错情况。频谱分析结果表明,水动力轴向推力和扭矩是弹性螺旋桨在流场中振动响应的主要影响因素,且主要引起弹性螺旋桨的一阶湿模态悬臂振动;桨叶面上,从叶梢处到导边和叶中部分,再到随边部分,最后到叶根处,结构响应逐渐降低。[结论]所做研究可为弹性螺旋桨流固耦合计算分析提供方法途径,也为螺旋桨流固耦合振动噪声分析打下了一定基础。     

推力轴承轴向刚度对船舶轴系振动响应的影响

采用ANSYS有限元软件对某型舰船轴系进行相似建模,并计入螺旋桨激振力,研究不同推力轴承轴向刚度下的轴系振动特性,分析螺旋桨激振力通过轴系的传递状况。计算结果表明,增大推力轴承轴向刚度能有效衰减振动沿着纵向振动经过船体结构的传递,有一定减振降噪的作用。     

船体伴流对直翼推进器水动力性能的影响

[目的]直翼推进器是一种特种推进器,其借助从船舶底部伸出并围绕垂直轴往复式摆动的桨叶产生精准且无级可调的推力,有必要研究敞水和伴流条件下直翼推进器的水动力性能.[方法]首先,通过分析直翼推进器的工作原理,推导出叶片的多重运动规律公式;然后,基于RANS方程和κ-ε湍流模型,采用滑移网格技术计算直翼推进器的敞水性能;最后...     

升力分配系数对螺旋桨正倒车水动力性能影响的数值分析

[目的]基于数值模拟方法研究螺旋桨几何参数对其正倒车水动力性能的影响规律.[方法]以某33000 DWT成品油轮为应用对象,采用RANS方法并结合Realiazable k-ε湍流模型,对与其相匹配的1个图谱桨与3个理论桨在正车前进和倒车后退工况下的水动力性能进行数值仿真,讨论升力分配系数、螺距与拱度组合方式对螺旋桨正...     

复合材料螺旋桨水动力特性的流固耦合数值模拟

为了分析复合材料螺旋桨变形对其水动力性能的影响,利用FLUENT和ANSYS结构模块建立了一种流固耦合的方法。基于此方法分析了桨叶变形对敞水曲线,桨叶附近流场及其表面压力的影响。研究结果表明,初始几何为无侧斜无纵倾的螺旋桨变形后纵倾发生改变,使推力和扭矩系数变大,且推力系数和扭矩系数的增值随进速系数减小而增大。变形后的螺旋桨桨叶表面压力增大,压力系数变化最大值可达40%,螺旋桨轴向诱导速度变化最大值可达18.7%。     

冰阻塞参数对螺旋桨水动力性能影响试验研究

针对冰水混合环境下冰阻塞逼近效应对螺旋桨水动力性能影响,在空泡水筒开展了均流和冰阻塞条件下的螺旋桨模型水动力性能试验,测试了冰桨轴向、垂向间距等冰阻塞参数对不同运行工况的螺旋桨模型水动力性能影响。试验结果表明,冰阻塞物一方面改变流场特征直接影响螺旋桨模型推力和扭矩,另一方面改变桨叶的空泡特性进而影响水动力性能。在无空化状态,随着垂向和轴向阻塞逼近程度的加深,在冰阻塞环境螺旋桨模型推力系数相比于均流可产生40%和20%的增加;而在桨叶严重空泡的重载状态,螺旋桨水动力随冰桨间距的变化不明显,桨叶的空泡效应减缓了冰阻塞效应的影响程度。     

基于MRF方法和滑移网格的螺旋桨水动力性能研究

本文基于计算流体力学(CFD)方法,对多重参考系模型(MRF)及滑移网格模型(SM)在计算螺旋桨水动力性能时的差异进行了探讨。将以上两种模型应用到4381螺旋桨的水动力性能计算中,首先将计算得到的推力系数及转矩系数与试验数据进行了对比,考察了两种计算模型对螺旋桨的敞水性能的预测情况,并进一步对两种模型计算得到的螺旋桨盘面的速度场、桨叶的压力分布、桨后涡量云图等进行了对比分析。计算结果表明,滑移网格模型相较于多重参考系模型,对螺旋桨的推力系数的模拟结果误差更小,扭矩系数方面,两种模型的模拟结果相差不大；对于进速系数较大时,两种模型模拟得到的压力分布及速度分布较为相似,但对于高负荷情况,滑移网格模型可以更好地捕捉桨叶的压力分布及桨盘面处的速度分布情况；进速系数较小时,多重参考系模型可以模拟出涡结构的发散现象,而滑移网格模型可以更好的在高进速系数情况下捕捉到梢涡结构。     

带有推力鳍的吊舱推进器水动力性能研究

本文使用FLUENT软件对拖式吊舱推进器的水动力性能进行分析。由于涉及到螺旋桨、桨毂和舱体、支架的相互干扰问题,本文采用多参考系模型来进行相互干扰平均效果的计算。本文计算不同进速系数下普通吊舱推进器的推力系数、扭矩系数,与实验数据进行对比,并绘制敞水性能曲线。同时提出了几种带有推力鳍的吊舱推进器,对其进行了水动力性能计算,并与普通吊舱推进器的水动力性能进行比较,本文最后分析推力鳍对吊舱推进器水动力性能的影响。     

船舶轴系推力轴承油膜刚度与综合支承刚度测量

在船舶推进轴系中,推力轴承刚度常取决于其油膜刚度、轴承及其基座的结构刚度。通常所指的推力轴承刚度只包含油膜刚度。因此文中把既考虑油膜刚度又考虑轴承及其基座的结构刚度综合而成的刚度定义为推力轴承综合支承刚度,进而详细给出了推力轴承油膜刚度与综合支承刚度的测量方法。借助此方法,对实验室一缩比的推力轴承实验台的油膜刚度与综合支承刚度进行了测量,获得了良好的结果。实验表明,推力轴承油膜刚度随转速上升而下降;综合支承刚度随外激励频率上升而下降,在推力轴承—基座共振频率处降为零;低频激励时,油膜刚度与综合支承刚度大小近似相等,此时对轴系的动力学建模可以只考虑油膜刚度;高频激励时,综合支承刚度远小于油膜刚度,此时对轴系动力学建模必须考虑综合支承刚度,只考虑油膜刚度会带来较大误差。实验结果对船舶推进轴系的设计及动力学分析有指导意义。     

舵球鳍参数对扭曲舵水动力性能的影响研究

文章对桨后普通舵和扭曲舵的水动力性能进行了试验研究,并采用计算流体力学方法对桨舵系统的水动力性能进行计算,得到了不同进速系数下的推力系数、扭矩系数以及敞水效率,并绘制了敞水性能曲线。通过桨舵模型试验值与计算值的对比,验证了计算方法的可靠性。为了进一步提高扭曲舵的节能效果,在扭曲舵前安装了舵球,优化舵球的半径后在舵球两端安装推力鳍,通过优选推力鳍的各个参数（安装位置、展弦比和安装角）,使桨舵系统的敞水效率逐步提高。确定了舵球鳍的最优参数后,桨—扭曲舵系统的效率进一步提高1.2%。最后通过观察舵表面压力分布、舵附近轴向速度和迹线分布,分析了舵球鳍对桨舵干扰的影响。