考虑水弹性影响的螺旋桨设计方法研究

船用螺旋桨工作在低速重负荷工况、或采用大侧斜几何型式或采用复合材料时,其流固耦合现象较为突出,螺旋桨设计中若无法准确考虑其间的水弹性影响,将会造成船机桨失配及实船推进性能的错误预报。文章基于螺旋桨环流理论设计方法、螺旋桨流固耦合算法以及逐步逼近法,形成了一套可考虑水弹性影响的螺旋桨设计方法,重点讨论了流固耦合中水动力载荷更新方式、逐步逼近法中预变形松弛因子的选择对设计结果的影响。通过大侧斜螺旋桨及复合材料螺旋桨设计实例,进一步阐述了在螺旋桨设计中考虑水弹性的必要性,也验证了所开发设计平台的有效性。该设计平台为后续复合材料螺旋桨的优化设计提供了基础。     

螺旋桨自动化几何建模和网格划分技术

为了快速实现船用螺旋桨有限元建模,为极限强度分析和疲劳校核做准备,针对船用螺旋桨的结构特点,利用MSC.Patran前后处理器的二次开发技术,开发了1套螺旋桨自动化建模软件,定义了螺旋桨建模的型值表标准格式,实现了螺旋桨几何建模和网格划分的自动化.对某冰区加强螺旋桨进行了建模和计算,结果表明,系统建立的螺旋桨模型能保持良好的光顺效果和网格质量,满足计算要求.本文提出了基于MSC.Patran的螺旋桨自动建模方法,避免了传统手工建模中复杂和重复的工作,大幅提高了螺旋桨设计分析效率,具有重要的参考价值.     

基于流固耦合的螺旋桨水动力性能数值仿真

根据螺旋桨理论,将基于粘流理论的计算流体动力学方法与结构有限元分析方法相结合,构建螺旋桨的流固耦合数值仿真方法。运用该方法对螺旋桨进行计算分析,并与试验结果进行对比,两者吻合较好。证明了利用构建的FSI方法与传统的CFD方法计算同一金属材料螺旋桨时,在低进速下计算所得结果较传统CFD方法更为准确。从多角度阐明所建立的流固耦合数值方法在复合材料螺旋桨研究方面的独特优势,为复合材料螺旋桨性能分析提供了必要的工具。     

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。     

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。     

内河电力推进船功能区振动响应分析

船舶总是会因其动力源、推进器、波浪以及其他外部激励的作用而产生振动,甚至有害振动。文章通过有限元方法对某电力推进内河船不同功能区结构进行螺旋桨和主机激励作用下的振动响应计算,对比螺旋桨和主机激励作用下不同功能区的振动响应,并判断振动产生的速度及加速度幅值是否符合CCS相关规定的要求。结果表明,在螺旋桨激励作用下,不同功能区振动响应远大于主机激励作用下的振动响应,电力推进装置所产生激振力对电力推进船舶的振动几乎没有影响。由此,对电力推进系统助推的船舶振动计算分析及该类船的设计提供一定的参考。     

海洋异物接近对导管螺旋桨服役性能影响研究

螺旋桨是目前船舶及海洋装备重要推进装置,其工作可靠性及服役性能对我国海洋战略的实施具有非常重要的意义。复杂海洋环境下螺旋桨服役性能除受到风、浪、流等环境因素影响外,还受到周围其他海洋异物的影响,进而引起螺旋桨载荷特性发生突变。本文基于计算流体力学基础理论,建立导管螺旋桨水动力学数值仿真模型。将海洋异物接近过程简化为准定常过程,分析不同接近距离对导管桨水动力性能的影响。基于流固耦合理论,将水动力学载荷施加在桨叶表面,获得不同接近距离时桨叶应力、应变的变化特性。研究结果表明：海洋异物的接近会对导管桨水动力学特性产生较大的影响作用。当异物接近距离为0.01 m时,导管桨推力将增加11.74%,扭矩增加12.73%,桨叶最大应力值增加32.06%,最大形变量增加30.28%。本文研究工作对导管桨服役性能评估及疲劳寿命预测具有非常重要的参考意义。     

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。     

几种常见特殊舰船推进器的特点分析

除传统螺旋桨推进器外,喷水推进器、直翼推进器、吊舱推进器这三种特殊推进器使用也较广泛。文章介绍了这三种特殊推进器的基本结构特征,对其主要特点进行分析和对比,并就适用范围进行讨论。设计者应根据舰船的使用特点、工作环境以及推进器的结构特点合理选择具体的推进方式。     

Numerical Calculation of Marine Propeller Hydrodynamic Characteristics in Unsteady Flow by Boundary Element Method

In this paper, a low-order potential based on surface panel method is used for the analysis of marine propellers in unsteady flow.A linear propeller wake model is employed and its geometry is assumed to be independent of the time.The calculation in time domain is carried out from a moment when the rotation of the propeller becomes steady instead of from the moment when the rotation strats from stationary condition.At every time step a linear algebraic equation established on a key blade is solved numerically combined with the Kutta pressure conditon.The calculated results by developed code indicate good convergency and effrctiveness of present algotithm for conventional propellers and highly skewed propellers.     

Prediction of slamming pressure considering fluid-structure interaction. Part II: Derivation of empirical formulations

This is Part II in a series of papers. Part I [1] investigated the slamming responses of flexible flat stiffened steel and aluminum plates using the nonlinear explicit finite element code LS-Dyna with the Multi-Material Arbitrary Lagrangian-Eulerian (MMALE) solver. Subsequently, a simplified finite element FSI model of water hitting structures that is realistically close to the slamming phenomenon occurring on the bottom part of offshore structures was proposed. The proposed FSI methodology presented in Part I was verified by comparison with the relevant test data. It was evident that the use of the proposed numerical method presented in Part I was very effective for a benchmarking investigation of slamming load considering the hydroelastic effect. However, the method required much effort in terms of computation time and power analysis resources. The present study, Part II, aimed, as an alternative to the FSI analysis approach, to develop empirical formulae for prediction of slamming loads acting on deformable flat stiffened plates used in marine applications. This paper begins by describing the limitations of the existing approaches based on theoretical, experimental and even numerical studies conducted in the past for estimation of slamming loads. Next, it presents, based on the simulation methodology developed in Part I, rigorous parametric studies that had been performed on actual scantlings of marine-seagoing structures. The effects of structural geometry and water impact velocity on slamming pressure are then investigated in detail. Subsequently, the parametric results are analyzed and utilized to derive empirical formulations for the prediction of slamming loads acting on flat stiffened plates of marine structures. The accuracy and reliability of the proposed formulations are established by comparison with the results of the test and other existing formulations. The proposed formulations are expected to be used for the purposes of the design without any time-consuming FSI analysis of advanced and optimal structures that are robust to slamming.     

双桨客货轮自航船模操纵性试验研究

本文通过一组典型双桨船型,即常规船型、双尾鳍型及双尾型船的自航船模操纵性试验,探索了双桨船的操纵特点,分析研究了螺旋桨旋向及船型对操纵性的影响规律。研究表明:内旋桨使回转性及错车性能略有下降,但错车仍有正常转向,车舵并用能得到理想的效果。内旋使倒航性能大为改善,使倒航可操。单机倒航时出现有规律的反常转向,可利用作为倒航的操纵手段。双尾鳍船的回转性能优于另两种船型,倒航性能及车舵并用的转首性能亦优于常规型船,是具有良好操纵性的一种船型。双尾鳍船型配以内旋桨方案有广阔的应用前景。     

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。     

导管螺旋桨定常性能预估的基于速度势的面元法

开发了一个导管螺旋桨定常水动力性能预报的数值计算方法,其中,螺旋桨和导管均采用定常面元法,通过迭代计算考虑桨和导管的相互影响.该方法也可用于导管调距桨在不同转角时的定常性能预估.对JD7704和19a导管螺旋桨以及JD导管调距桨的计算结果表明,该方法计算精度是令人满意的.     

基于遗传算法的船舶螺旋桨优化设计

船舶螺旋桨的设计主要分为理论法与图谱法,目前,图谱法设计已有成熟的计算程序与之匹配,采用遗传算法搜索进行船舶螺旋桨优化设计是一条新的思路。采用Wageningen B图谱的回归多项式,利用遗传算法的高效、并行、基于适应度函数的搜索法,进行螺旋桨优化设计,将螺旋桨直径、螺距比和盘面比作为设计变量,空泡性能作为约束条件,在保证目标转速的前提下优化船舶航速。经优化设计实例计算表明,遗传算法适用于船舶螺旋桨的优化设计。     

非均匀船舶尾流中工作的常规和大侧斜船用螺旋桨的水动力和水声计算预报（英文）

Despite their high manufacturing cost and structural deficiencies especially in tip regions, highly skewed propellers are preferred in the marine industry, where underwater noise is a significant design criterion. However, hydrodynamic performances should also be considered before a decision to use these propellers is made. This study investigates the trade-off between hydrodynamic and hydroacoustic performances by comparing conventional and highly skewed Seiun Maru marine propellers for a noncavitating case.Many papers in the literature focus solely on hydroacoustic calculations for the open-water case. However, propulsive characteristics are significantly different when propeller-hull interactions take place. Changes in propulsion performance also reflect on the hydroacoustic performances of the propeller. In this study, propeller-hull interactions were considered to calculate the noise spectra.Rather than solving the full case, which is computationally demanding, an indirect approach was adopted; axial velocities from the nominal ship wake were introduced as the inlet condition of the numerical approach. A hybrid method based on the acoustic analogy was used in coupling computational fluid dynamics techniques with acoustic propagation methods, implementing the Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H) equation. The hydrodynamic performances of both propellers were presented as a preliminary study.Propeller-hull interactions were included in calculations after observing good accordance between our results, experiments, and quasi-continuous method for the open-water case. With the use of the time-dependent flow field data of the propeller behind a nonuniform ship wake as an input, simulation results were used to solve the FW-H equation to extract acoustic pressure and sound pressure levels for several hydrophones located in the near field. Noise spectra results confirm that the highest values of the sound pressure levels are in the low-frequency range and the first harmonics calculated by the present method are in good accordance with the theoretical values. Results also show that a highly skewed propeller generates less noise even in noncavitating cases despite a small reduction in hydrodynamic efficiency.     

推进轴系回旋振动对船体尾部振动影响分析

船舶在航行过程中,螺旋桨在不均匀的伴流场中工作产生周期性的弯曲力矩作用在螺旋桨轴上,使推进轴系在螺旋桨或转轴上旋转的横向力矩作用下,旋转轴绕其静平衡曲线产生振动,从而出现回旋振动现象,而严重的轴系回旋振动引起轴承反力的动力放大而引起船体尾部结构的振动.本文对一艘尾部结构振动严重的船舶进行了推进轴系回旋振动计算分析及实船振动测量验证,分析了推进轴系回旋振动对船体尾部结构振动影响,通过更换尾管前轴承、调整中间轴承的位置,解决了轴系回旋振动引起的船体尾部结构严重振动问题,为解决类似船体尾部振动问题分析提供参考.     

小水线面双体船螺旋桨激励船体振动研究

文章研究了小水线面双体船的桨—轴—船体耦合系统在螺旋桨受宽带力激励下的纵向振动特性。建立了考虑周围流体介质作用的桨—轴—船体动态耦合系统的声振数值计算模型,经实船试验表明计算结果与试验结果吻合较好。采用该模型计算分析了桨—轴—船体耦合系统的振动特性。作用在螺旋桨上的激励力传递到船体时,受到轴系子系统的调制作用及推力轴承基座结构的刚度影响,在轴系一阶和二阶纵向振动模态处出现动力放大;考虑螺旋桨的弹性变形时,激励力在螺旋桨的桨叶若干纵向振动模态频率上也出现了明显的放大。在这些低频段的振动模态频率上,船体结构受放大的激励力作用,容易产生共振及声辐射。     

螺旋桨流固耦合多目标优化设计

本文提出将NSGA-Ⅱ多目标优化算法应用于螺旋桨多目标优化设计,并通过面元法和有限元法实现螺旋桨流固弱耦合.通过计算安装在Seiun-Maru(一艘日本散货船)上的HPS大侧斜螺旋桨压力系数分布和压力脉动,考虑了流固耦合效应的计算精度要高于不考虑流固耦合效应,验证了考虑流固耦合的必要性.本文以螺旋桨效率、非定常力和重量作为目标函数,在满足水动力性能、结构响应和空泡性能等约束条件下,选取描述螺旋桨外形的6个参数作为设计变量,以此建立优化函数.在不同近似最优解和非设计点为初值的算例中,其结果均改善了所有目标函数,验证了本文方法的有效性、适用性和鲁棒性.本文提出的多目标优化方法将有助于提高设计效率,节省计算资源,可成为未来螺旋桨设计的有效工具.     

螺旋桨敞水性能计算及堵塞效应研究

根据螺旋桨的投影原理以及其几何参数,用三维建模软件 CATIA 建立三维螺旋桨数值模型。根据计算流体动力学（CFD）原理,使用流体动力学软件 Fluent 对螺旋桨数值模型进行分析计算。采用 RANS 方法结合RSM 湍流模型求解螺旋桨三维粘性流场,计算域的离散采用非结构网格方法,运用相对旋转坐标方法（MRF）来模拟螺旋桨的运动,以此求出该螺旋桨在常态以及堵塞效应下的流场特性,并将螺旋桨的数值计算结果与试验结果进行对比以确定该方法的适用性。最后研究堵塞效应的相关性质并将螺旋桨普通敞水性能与螺旋桨在堵塞效应下的敞水性能进行对比,得出堵塞效应对螺旋桨敞水性能的影响。