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。     

空间不均匀流场诱发螺旋桨振动的实验研究

[目的]为获得空间不均匀流场诱发的螺旋桨振动随其固有频率的变化关系,进行实验研究。[方法]实验获得两种几何外形相同而材料不同的七叶大侧斜螺旋桨在不同工况下的动应变。实验中的空间非均匀流场由螺旋桨上游400 mm处布置的4阶或6阶尾流窗产生。在尾流窗下游100 mm处布置激光多普勒测试系统,测得流场的轴向速度分布。利用贴在桨叶不同位置的应变片测试系统测得桨叶振动应变。[结果]获得了桨叶振动随螺旋桨转速与尾流窗变化的规律,在均匀来流条件、4阶和6阶不均匀来流条件下,动应变频谱的最大峰值分别出现在轴频、4倍轴频和6倍轴频处。明确了非均匀流场激励下桨叶固有模态对其振动响应的影响,当6倍轴频激励力的频率与塑料桨的固有频率一致时发生共振,桨叶振动的幅度最大。[结论]本研究表明设计人员设计螺旋桨时,除关注其水动力性能外,应考虑其固有频率的影响。     

螺旋桨低频振动声辐射特性研究——水母模态

[目的]发现了一种螺旋桨噪声新成分——螺旋桨低频弹性被激发而形成的声辐射,特别是桨叶同相模态被激发引起的强烈声辐射,我们称之为"水母模态",由其激发诱导的推进器轴系艇体系统低频窄带声辐射,并称为"水母效应"。为揭示其形成机理,开展螺旋桨低频固有振动特性研究。[方法]基于精细网格有限元方法分析螺旋桨的模态特征,得到空气和水介质中螺旋桨模态特性以及桨叶失谐对模态特性的影响规律;引用循环对称结构振动理论,对数值计算结果予以进一步验证。[结果]结果表明,在空气和水介质中,螺旋桨振动模态具有分组特征以及组内呈现出单频、重频模态的特征;桨叶失谐对重频模态影响较大而对单频模态/振型影响较小;精细化有限元计算结果与循环对称结构理论分析一致。[结论]本研究揭示了螺旋桨的低频模态特性,为螺旋桨低频噪声机理分析和控制提供了理论支撑,具有理论和工程应用价值。     

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。     

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。     

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。     

小水线面双体船螺旋桨激励船体振动研究（英文）

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。     

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。     

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。     

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。     

基于完全耦合算法的绕水翼流固耦合特性研究

基于完全耦合算法对绕二维NACA0009水翼流固耦合特性进行了数值模拟研究。采用Theodorsen模型和Munch模型对刚性和弹性水翼的水弹性响应进行了数值计算,分析了流体与结构的相互作用关系,研究了影响结构水弹性响应和流固耦合特性的因素。研究结果表明:考虑了流体黏性的Munch模型与基于势流理论的Theodorsen模型对气动弹性响应的数值计算结果基本一致,而Theodorsen模型由于没有考虑流体黏性在一定程度上低估了结构的水弹性响应。结构的惯性、阻尼和刚度力矩与流体的相应附加载荷均处于同一数量级,故流体与结构的相互作用不可忽略,尤其对于弹性水翼,流体的惯性、附加阻尼作用增大,流固耦合算法的数值稳定性对流固耦合特性的计算结果影响将更大。外部激励频率为非共振频率时,结构的刚度作用是影响水弹性响应的主要因素,外部激励频率为共振频率时,流体的附加阻尼和附加刚度作用减弱,除结构的刚度作用外,流体与结构的惯性作用对水弹性响应和流固耦合特性的影响也较大。     

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。     

水中三维结构的湿模态分析方法

水中任意几何形状结构的流固耦合振动特性的研究对船舶及海洋工程应用具有很大的价值。本文利用三维水弹性分析方法计算流体附加质量和恢复力系数，然后求解由结构的干模态广义质量、广义刚度及流体附加质量、流体恢复力系数所构成的耦合特征方程，从而获得结构的湿模态及特征频率。计算结果与整体弹性船模式试验结果吻合。     

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。