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。     

复合材料螺旋桨弯扭耦合刚度特性分析

[目的]复合材料螺旋桨的弯扭耦合变形程度反映了桨叶的刚度特性,而桨叶刚度特性又与其水动力性能存在一定的相关性,将从刚度的角度对复合材料螺旋桨的纤维铺层进行优化设计.[方法]首先,以DTMB 4383复合材料螺旋桨为研究对象,基于复合材料螺旋桨流固耦合自迭代算法,构建桨叶弯扭刚度数值计算方法;然后,分别在桨叶铺设单向碳纤...     

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。     

纤维铺层对复合材料桨变形规律的影响

采用面元法和有限元法相结合的流固耦合算法,针对4382桨利用有限元软件ABAQUS进行多种材料纤维铺层,迭代进行水动力性能分析,并总结了复合材料螺旋桨的变性规律。当纤维主要铺层方向与侧斜方向一致时,桨叶易发生扭转,复合材料螺旋桨的变形规律是侧斜增大,纵倾和螺距减小,以迎合进流角,进而提高螺旋桨的水动力性能。     

基于流固耦合的螺旋桨性能分析及参数优化

为了研究某型螺旋桨水动力及强度特性.首先建立螺旋桨实体模型,再在CFX中设置计算条件,运用CFD有限元方法计算与分析不同进速下螺旋桨的推力系数、转矩系数、敞水效率以及桨叶压力分布等水动力参数特性及其变化趋势;然后通过Workbench平台应用流固耦合方法,将CFX求解得到的螺旋桨表面压力载荷加载到螺旋桨结构强度分析模型上,对螺旋桨的强度进行计算.最后通过改变纵倾角和螺距对螺旋桨结构进行优化,并将仿真结果与原桨比较,结果表明适当增大纵倾角能增大螺旋桨强度,适当降低螺距能提高螺旋桨敞水效率、提高抗空泡性能并增大螺旋桨强度.     

基于流固耦合的螺旋桨性能分析及参数优化

为了研究某型螺旋桨水动力及强度特性。首先建立螺旋桨实体模型,再在CFX中设置计算条件,运用CFD有限元方法计算与分析不同进速下螺旋桨的推力系数、转矩系数、敞水效率以及桨叶压力分布等水动力参数特性及其变化趋势;然后通过Workbench平台应用流固耦合方法,将CFX求解得到的螺旋桨表面压力载荷加载到螺旋桨结构强度分析模型上,对螺旋桨的强度进行计算。最后通过改变纵倾角和螺距对螺旋桨结构进行优化,并将仿真结果与原桨比较,结果表明适当增大纵倾角能增大螺旋桨强度,适当降低螺距能提高螺旋桨敞水效率、提高抗空泡性能并增大螺旋桨强度。     

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。     

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%。     

可调螺距螺旋桨螺距变化对轴系振动的影响

为了研究船舶可调螺距螺旋桨螺距变化对轴系结构振动的影响,本文以某集装箱船的推进轴系和螺旋桨为例,采用有限元分析方法对其进行流固耦合仿真,分析船舶尾轴的应力与变形、振动以及模态变化。研究结果表明,螺旋桨螺距改变螺旋桨周围水域的流线运动状态,使得其受力变形更加不均匀。随着螺旋桨螺距的逐渐增大,轴系固有频率减小;船舶尾轴在一些特定频率附近会产生较大的共振幅值。为提高尾轴使用寿命,尾轴激励应避免这些频率。在一定范围内,尾轴在22°左右的螺距角下更容易产生较大的振动,可通过合理调节螺距角,以避免出现共振现象。     

全回转推进器螺旋桨桨叶结构强度评估方法

为了解决全回转推进器螺旋桨的单向流固耦合问题,实现螺旋桨桨叶结构强度精确评估,文章基于计算流体力学和有限元法开展了螺旋桨桨叶的结构强度计算方法研究,重点探讨了桨叶表面随机分布压力从流体域到固体域的转换技术。在此基础上,文中提出了桨叶固液交界面上水动力载荷的转换方法,详细研究了插值加权系数和有限元网格尺寸对桨叶结构强度计算精度的影响规律,给出了适用于桨叶强度评估的插值加权系数和单元网格尺寸选取原则。最后,该文以5000 kW级全回转推进器螺旋桨为例,开展了桨叶结构强度数值计算和安全评估,获得了桨叶的应力和变形分布规律,整体上建立了全回转推进器螺旋桨桨叶结构强度评估方法,可为大功率全回转推进器螺旋桨设计提供借鉴和参考。     

考虑铺层的复合材料螺旋桨流固耦合计算及验证

为了验证考虑铺层的复合材料螺旋桨流固耦合算法的正确性,利用ANSYS/CFX软件,对±45°对称铺层的玻璃纤维增强材料螺旋桨建立流体模型和结构模型,实现双向流固耦合稳态求解,得到不同进速系数下的敞水性能,模型桨敞水试验结果表明,数值计算与试验吻合良好,均满足工程应用的要求,验证了采用ANSYS/CFX双向流固耦合算法计算复合材料螺旋桨的正确性。     

全回转推进器螺旋桨桨叶结构强度评估方法（英文）

为了解决全回转推进器螺旋桨的单向流固耦合问题,实现螺旋桨桨叶结构强度精确评估,文章基于计算流体力学和有限元法开展了螺旋桨桨叶的结构强度计算方法研究,重点探讨了桨叶表面随机分布压力从流体域到固体域的转换技术。在此基础上,文中提出了桨叶固液交界面上水动力载荷的转换方法,详细研究了插值加权系数和有限元网格尺寸对桨叶结构强度计算精度的影响规律,给出了适用于桨叶强度评估的插值加权系数和单元网格尺寸选取原则。最后,该文以5 000 k W级全回转推进器螺旋桨为例,开展了桨叶结构强度数值计算和安全评估,获得了桨叶的应力和变形分布规律,整体上建立了全回转推进器螺旋桨桨叶结构强度评估方法,可为大功率全回转推进器螺旋桨设计提供借鉴和参考。     

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。     

可调螺距螺旋桨零推力螺距敞水力矩特性研究

文章利用可调螺距螺旋桨零推力工况的一般概念来求解零推力螺距工况的敞水力矩特性.作图法和解析法并用,以MATLAB为工具,解得可调螺距螺旋桨零推力螺距工况时的敞水力矩系数,从而解决了可调螺距螺旋桨在推进装置推进特性研究中经常遇到的零推力螺距敞水螺旋桨特性的建模问题.文章还对本研究结果趋势拟合的合理性进行了间接检验.     

侧斜变化对螺旋桨水动力及变形振动特性的影响

由于艇后伴流场的不均匀性,螺旋桨运转时,周期性变化的载荷与桨叶结构的耦合作用会使桨叶发生变形。基于ANSYS Workbench平台,利用ACT_Transient FSI技术,将Fluent结果直接转换导入有限元求解器来计算螺旋桨结构响应,从而实现艇后螺旋桨瞬态单向的耦合分析。以DTMB 4381,DTMB 4382和DTMB 4383桨为研究对象,对艇后螺旋桨的水动力特性及桨叶的变形等进行数值模拟。结果表明:随着螺旋桨侧斜角的增加,脉动推力振荡明显减弱,桨叶最大变形量增加,但桨叶振动明显减弱。     

复合材料螺旋桨纤维铺层对强度影响研究

为实现铺层角度、顺序对桨叶强度影响的准确预报,本文首先采用有限元计算软件Abaqus建立复合材料螺旋桨仿真计算方法,并通过静强度试验对仿真计算方法进行了佐证;然后加入Tsai-Wu强度准则作为桨叶强度的评价指标。通过对30种铺层方案进行仿真计算,阐明铺层角度、顺序对桨叶强度的影响规律,为研究纤维铺层对桨叶强度的影响提供一定的参考。     

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。     

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。     

水动力载荷下复合材料螺旋桨强度评估

为开展水动力载荷下复合材料螺旋桨强度评估研究,首先采用ANSYS/CFD计算螺旋桨流体模型在设计工况下的水动力载荷,并基于ABAQUS软件通过编码INP文件将水动力载荷施加于螺旋桨结构强度模型上;然后基于Hashin失效准则,分析不同铺层角下螺旋桨可能出现的失效模式,进行复合材料螺旋桨结构强度的评估分析;最后,依据应力等效原则,将水动压力载荷等效为集中载荷,开展模型桨静强度试验和仿真计算。结果显示:仿真计算结果与试验结果吻合良好,最大误差在9%以内,验证了复合材料螺旋桨强度评估方法的可靠性。