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。     

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。     

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。     

复合材料螺旋桨双向流固耦合计算

为研究复合材料对螺旋桨水动力性能和结构特性的影响,在Workbench平台上,采用基于粘性流理论的计算流体力学方法与有限元软件实现流体载荷与结构变形的双向耦合传递。以DTMB4381为研究对象,首先考虑镍铝青铜(NAB)螺旋桨的微小变形,采用双向流固耦合方法计算不同进速系数下的水动力性能,并与敞水试验值进行对比,误差较小,验证了双向流固耦合方法的准确性。然后将复合材料考虑为各向同性,对玻璃纤维材料螺旋桨进行双向流固耦合求解,得到复合材料螺旋桨在不同进速系数下的水动力性能及结构特性,并将流体和结构计算结果与传统的金属螺旋桨比较分析,总结材料对螺旋桨性能的影响。双向流固耦合方法为今后各向异性复合材料螺旋桨的深入研究打下基础。     

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。     

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。     

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。     

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...     

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。     

考虑流固耦合作用桨毂形状对螺旋桨性能影响研究

基于STAR CCM+和ABAQUS软件,运用平均雷诺方程和SST k-ω湍流模型,建立一种基于流固耦合、可有效预报全浸螺旋桨水动力特性的数值计算方法。以标准模型DTMB P4381为网格验证对象,并对不同桨毂形状下的DTMB P4381水动力特性进行双向流固耦合计算,探讨圆柱形桨毂与球形桨毂对该无侧斜桨性能影响及作用机理。结果表明:考虑流固耦合作用能更准确预报螺旋桨水动力性能;桨毂形状对桨叶根部的流动影响明显,对桨叶表面压力分布的影响可延伸至0.5倍半径处,并且该影响随着进速系数的增大而增大。     

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。     

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。     

夹芯复合材料螺旋桨性能流固耦合数值研究

与传统层合复合材料结构相比,夹芯复合材料结构轻质、高强,结构可设计性强,可实现多材料和多功能的一体化集成.本文基于螺旋桨结构水动力边界条件,以INSEAN E779A螺旋桨为研究对象,采用双向流固耦合仿真方法研究夹芯结构螺旋桨的水动力性能和结构响应特性,并与金属材料螺旋桨、传统层合结构螺旋桨进行对比,分析不同夹芯构型与...     

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%。     

平衡侧斜和偏侧斜对船舶螺旋桨水动力性能的影响

为了改善船舶螺旋桨在中高载荷下由于吸力面局部压力过低造成空化的现象,提出通过改变螺旋桨的侧斜方式和侧斜角度来改善螺旋桨吸力面的压力分布,从而改善桨叶的空化形态的方法.以DTMB P4119桨为原型改变其侧斜方式和侧斜角度,新构造了7个螺旋桨,并基于k-ω SST湍流模型和混合网格方法对新构桨进行敞水数值计算.结果表明:对偏侧斜桨,随着侧斜角度的增加,螺旋桨的推力系数增加,敞水效率略有降低.而对于平衡侧斜桨,在低进速下,随着侧斜角度的增加,螺旋桨的推力系数和敞水效率降低;中低进速下平衡侧斜桨和偏侧斜桨的敞水效率相当,中高进速下,平衡侧斜桨的敞水效率高于偏侧斜桨;桨叶吸力面的低压区随侧斜角度的增加而变得狭长,有利于削弱片空化.     

基于CFD的螺旋桨侧斜分布的影响

作为特种船舶高速推进装置的大侧斜螺旋桨,凭借其侧斜角较大的特殊结构导致由螺旋桨引起的轴承力和表面力特性减小,这对于提升推进器的推进性能以及效率性能有着重大意义。采用基于RANS方程的CFD数值模拟方法,对某五叶大侧斜螺旋桨(侧斜角度为55°)进行水动力学仿真并与水池试验结果对比,结果显示仿真结果具备可靠性与精确性。以大侧斜螺旋桨的侧斜分布为变量,并以原型桨为基础且只改变其侧斜分布而建立3个大侧斜螺旋桨模型,侧斜角度分别为40°、50°和60°。然后,对3个不同侧斜角度的大侧斜螺旋桨进行了定常敞水特性水动力学仿真实验。实验结果表明,随着螺旋桨侧斜角度的增大,螺旋桨的推进性能和高效性能都有所提升。     

参数选择对螺旋桨水动力性能的影响

为研究螺旋桨的几何参数对其水动力性能的影响,用基于速度势的低阶面元法计算敞水螺旋桨的定常水动力性能,根据格林公式,得到关于螺旋桨扰动势的积分微分方程,采用双曲面元以消除面元间的缝隙,在桨叶随边处满足压力库塔条件,计算分析螺旋桨的主要参数对其水动力性能的影响.计算结果表明,桨毂锥角、桨叶数、盘面比及侧斜对桨推进及空泡性能影响较大,而纵倾的影响相对较小.     

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应用与发展

文章对国内外船用复合材料螺旋桨研究成果与应用现状进行了总结与归纳,介绍了船用复合材料螺旋桨设计与研究中存在的难点,说明了流固耦合算法在复合材料螺旋桨预变形设计与水动力性能预报中的重要性。结合国内的研究现状,为今后的研究提供参考。