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。     

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。     

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...     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

Numerical simulation of the solitary wave interacting with an elastic structure using MPS-FEM coupled method

Fluid-Structure Interaction (FSI) caused by fluid impacting onto a flexible structure commonly occurs in naval architecture and ocean engineering. Research on the problem of wave-structure interaction is important to ensure the safety of offshore structures. This paper presents the Moving Particle Semi-implicit and Finite Element Coupled Method (MPS-FEM) to simulate FSI problems. The Moving Particle Semi-implicit (MPS) method is used to calculate the fluid domain, while the Finite Element Method (FEM) is used to address the structure domain. The scheme for the coupling of MPS and FEM is introduced first. Then, numerical validation and convergent study are performed to verify the accuracy of the solver for solitary wave generation and FSI problems. The interaction between the solitary wave and an elastic structure is investigated by using the MPS-FEM coupled method.     

顶浪、斜浪中复合材料双体艇艇体结构耦合响应数值分析

采用流固耦合（Fluid-Structure Interaction,FSI）的艇体波浪载荷和结构响应的数值分析方法,对顶浪、斜浪中复合材料双体艇结构的动态响应进行研究。分别建立了完整的复合材料艇体有限元模型以及流场模型,基于数值水池造波技术,通过计算获得了顶浪、斜浪中复合材料艇体结构的时域动态响应结果,选取高应力梯度区域,通过网格加密重构同时获得了复合材料的层间应力。选取具有代表性的前10大等效应力与内外面板最值主应力,在将 FSI与传统基于经验公式的有限元法（Finite Element Method,FEM）的结果对比中发现,FSI中拱、中垂的计算结果更接近于 FEM弯扭组合工况,而采用《钢制双体船直接计算指南》计算复合材料双体艇时,所用经验公式的顶浪航行波浪载荷计算值偏小。     

推力轴承结构形式对水下航行体振动与声辐射特性影响研究

针对带推力轴承结构的水下航行体,采用有限元与边界元耦合方法,建立水下航行体整艇流固耦合有限元模型以及水中边界元模型,利用ANSYS刚性域功能建立全舱壁式和半舱壁式两种推力轴承结构形式,计算他们所引起的整艇振动与声辐射特性,并且比较分析他们之间的差异.研究表明,全舱壁式推力轴承结构相比半舱壁式推力轴承结构有一定减振降噪效果.     

Two-dimensional numerical simulation of an elastic wedge water entry by a coupled FDM-FEM method

Hydroelastic behavior of an elastic wedge impacting on calm water surface was investigated. A partitioned approach by coupling finite difference method (FDM) and finite element method (FEM) was developed to analyze the fluid structure interaction (FSI) problem. The FDM, in which the Constraint Interpolation Profile (CIP) method was applied, was used for solving the flow field in a fixed regular Cartesian grid system. Free surface was captured by the Tangent of Hyperbola for Interface Capturing with Slope Weighting (THINC/SW) scheme. The FEM was applied for calculating the structural deformation. A volume weighted method, which was based on the immersed boundary (IB) method, was adopted for coupling the FDM and the FEM together. An elastic wedge water entry problem was calculated by the coupled FDM-FEM method. Also a comparison between the current numerical results and the published results indicate that the coupled FDM-FEM method has reasonably good accuracy in predicting the impact force.     

A study on slamming pressure on a flat stiffened plate considering fluid–structure interaction

Normally, the design slamming pressure on the bottomof a semi-submersible-type floating rig is determined in a simple way using the relative speed obtained from an air-gap analysis. However, few studies have taken a thorough, robust, and deep-background approach to the estimation of design pressure. To investigate the slamming pressure on the bottom of a semi-submersible rig, a simplified deformable stiffened plate of a zero-degree deadrise angle is simulated using the nonlinear FEM software LS-DYNA, which can take the influence of fluid–structure interaction (FSI) into account. Various parametric studies are carried out to examine the effects of structural flexibility, coupling stiffness, mesh size, velocity, stiffener size, and air cushion. The pressure response on the plate by the coupling of fluid and structure is studied and the FSI effect of each parameter is discussed. Then, equivalent transient and static loads that result in the same maximum or permanent deformation as FSI are evaluated for design purposes through a series of parametric studies.     

Fatigue predictions for flexible marine propellers using FSI analysis considering Euler force in the rotating frame

Analysis of flexible marine propellers in terms of their structural response and stress is the key to accurate fatigue prediction. At present, finite element method (FEM) analyses of flexible propellers have been performed as a part of the fluid–structure interaction (FSI) analysis using a numerical method for the flexible structures, which is identical to that used for their rigid counterparts. In this study, the Euler force in a rotating frame is employed as an additional external force on the blades of the marine propeller during the FSI analysis. The Euler force is an inertial force component in the rotating frame due to angular acceleration. Acceleration of the rotating frame arises from large deformations of the propeller due to its flexible characteristics. The angular acceleration of the propeller is obtained for each time step, and the resulting Euler force is accounted for as a body force. The FSI analysis results are compared to experimental results in terms of the structural response, stress, and fatigue. It is clear that the Euler force has a major effect on the fatigue characteristics of the propeller because it amplifies the main response components. In conclusion, incorporating the Euler force in FSI analyses of flexible marine propellers is necessary for adequate prediction of the propeller fatigue.     

Vibration transmission characteristics of composite laminate joints based on power flow北大核心CSCD

[目的]为了研究复合材料层合板连接节点的振动传递特性,提出一种采用有限元功率流法并结合功率流可视化技术的分析方法。[方法]首先,验证用有限元实体单元功率流描述板壳振动的有效性;然后,引入功率流传递率评价指标,提出有限元模型功率流传递率的计算方法,并以导纳功率流法计算结果为参照来验证其有效性;最后,建立嵌入式连接和螺钉连接这2种复合材料层合板的连接模型,计算其功率流传递率曲线和典型功率流矢量图。[结果]对比验证结果表明,2种连接模型的振动传递路径和功率流传递率存在明显差异。[结论]有限元功率流法直观反映了连接结构的振动传递能力及振动能量传递路径,可为复合材料结构设计提供参考。