BEM/FEM耦合螺旋桨静强度计算方法

[目的]螺旋桨强度的可靠性与船舶安全航行直接相关。为了快速且准确地计算螺旋桨强度,[方法]将边界元(BEM)和有限元法(FEM)耦合开发螺旋桨强度预报程序。运用低阶边界元法程序对螺旋桨进行水动力性能计算,并使用普朗特—许力汀平板摩擦阻力公式进行粘性修正,然后将计算得到的桨叶表面压力和粘性修正力作为有限元法结构计算的面力输入。针对螺旋桨结构形状的特殊性,发展实体螺旋桨有限元结构单元的自动划分方法,运用有限元结构计算方程计算出螺旋桨在表面压力和体积力作用下的应力与位移分布。以DTRC 4119模型桨为例,对提出的方法进行收敛性和网格无关性分析,并与文献的有限元软件计算结果进行比较,以验证其有效性。[结果]计算结果表明,提出的方法能够准确计算螺旋桨的应力和位移分布。[结论]该方法避免了人工建模及有限元网格划分的过程,具有实施程序简便、计算效率高等优点,可嵌入到螺旋桨的理论设计和优化设计过程中,形成快速计算螺旋桨强度的能力,提高螺旋桨设计的效率。     

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。     

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。     

基于数值计算的调距桨桨叶强度校核方法

针对复杂的螺旋桨几何外形和载荷分布,为解决其强度校核问题,首先,采用单向流固耦合CFD方法和有限元方法对螺旋桨的结构强度进行计算分析,通过与文献推荐的安全系数进行比较,验证了该方法的合理性;然后,采用此方法对设计的调距桨在设计工况和系柱工况进行强度校核,同时与校核规范进行比较。结果表明,和现有的强度校核规范相比,此方法能提供更多的调距桨结构强度信息。该方法是先求解RANS方程来获取桨模表面的水动力压力系数,然后划分实桨的有限元模型,再把压力系数插值到有限元网格节点上计算得到实桨表面的水动力载荷,同时施加离心力,求解得到最大等效应力和应变,从而计算得到安全系数,可为调距桨的强度研究提供一种数值计算手段。     

冰载荷和纵倾角对螺旋桨强度的影响

[目的]在冰区航行对船舶螺旋桨强度的要求很高,因此对不同情况下螺旋桨的强度进行研究十分重要。[方法]基于有限元方法,以Workbench为工具,计算在冰区运行的不同纵倾角螺旋桨不同工况下的应力、应变,并在计算前开展网格收敛性研究。[结果]由分析计算结果可知:冰级越低,螺旋桨桨叶受到的冰载荷就越小,应力、应变也越小;部分工况下螺旋桨的应力、应变变化十分类似;较大的纵倾角对螺旋桨桨叶的应力、应变影响较大。[结论]计算结果可为冰区船舶螺旋桨的强度设计提供参考。     

推力轴承基座结构形式对潜艇振动噪声的影响

[目的]为研究推力轴承基座结构形式对潜艇辐射噪声的影响,[方法]采用有限元法和有限元耦合流体边界元法,分析不同纵向激振力分布形式下耐压艇体结构的振动响应特征,得出力对称分布有利于减小振动的结论。然后,据此设计对称式推力轴承基座,通过选择不同的构件尺寸控制系统的纵向刚度,分别计算采用对称式和传统推力轴承基座时潜艇的结构振动响应和辐射噪声。[结果]研究表明,在螺旋桨纵向激振力一定的情况下,采用对称式推力轴承基座能够明显降低艇体结构的振动强度和辐射噪声。[结论]所做研究可为潜艇推力轴承基座结构的声学优化设计提供参考。     

基于CFD的螺旋桨定常水动力性能预报精度研究

根据螺旋桨的型值参数,在Fluent前处理器ICEM中建立2套不同的网格模型对螺旋桨的敞水性能进行预报,采用计算流体力学(CFD)理论,结合雷诺平均纳维—斯托克斯(RANS)方程和3种不同湍流模型对螺旋桨的敞水性能进行研究,模拟在不同进速系数下的螺旋桨的推力、转矩系数、桨叶表面压力分布以及桨后尾流场的情况等。通过与试验数据的比较表明:采用RANS方法结合不同网格及湍流模型都能准确预报螺旋桨的敞水性能,其中六面体网格模型计算结果及收敛速度更优,且结合雷诺应力模型(RSM)精确度最高,更适合螺旋桨粘性流场的数值计算。     

螺旋桨水动力性能及流固耦合数值模拟

根据螺旋桨局部坐标转换成全局坐标的型值,建立螺旋桨的三维几何模型。基于商业软件,分别研究分区混合流体网格和结构网格的划分。使用Fluent软件分析螺旋桨的敞水性能,结合MRF转动模型和SST湍流模型研究螺旋桨在不同进速系数下的推力、转矩和敞水效率。与实验测量值比较,证实了该方法的工程可用性。基于Workbench平台,将CFD软件计算和有限元求解耦合起来,研究螺旋桨敞水时的单向流固耦合作用,对桨叶的结构强度进行校核计算,并分析螺旋桨应力,变形与进速系数的关系。     

加筋复合材料夹层板强度子模型分析方法研究北大核心CSCD

[目的]旨在解决全局模型壳、体单元混合边界位移在子模型驱动边界上的转换加载问题。[方法]首先,以加筋复合材料夹层板为研究对象,运用Python语言对ABAQUS进行二次开发,编写边界位移的插值程序,以实现壳、体混合边界节点自由度向子模型驱动边界上的转换;然后,通过对比子模型与全局模型之间的应力、位移云图,以及各路径上的应力、位移变化曲线,验证所提出方法的正确性。[结果]结果显示,全局模型在子模型区域的位移、应力云图与子模型基本一致,子模型与全局粗网格模型的位移完全重合,应力变化趋势一致;子模型与全局细网格模型的应力误差最大不超过12.5%。[结论]所做工作可为子模型方法的应用提供参考。     

流固耦合的船舶结构强度分析

常规方法构建船舶结构有限元模型时,对模型施加的流场绕流压力不充分,导致结构应力应变数值模拟精度较差。针对这一问题,设计流固耦合的船舶结构强度分析方法。建立船舶有限元模型,网格划分船体和流体区域,计算船体波浪水槽参数,模拟船舶航行的绕流场,导入绕流场动压力和静压力,施加流场载荷给船体结构,得到不同受力情况下的应力应变,确定结构强度。设置对比实验,结果表明,设计方法相比常规方法,减少船舶结构最大变形、最大应力值的数值模拟误差,对结构强度的判断更为准确。     

三维裂纹前缘应力强度因子数值计算方法

本文建立了采用20节点奇异元1/4节点位移法求解三维裂纹整个前缘3种类型应力强度因子的数值计算方法,给出了裂纹网格划分方法以及网格划分参数取值范围;基于平板表面裂纹研究了网格划分参数对应力强度因子计算结果的影响,并与Newman-Raju解析公式计算结果对比验证了数值方法的准确性,二者最大误差小于2%;采用数值计算方法计算了裂纹扩展标准三点弯曲样扩展过程中单边穿透裂纹前缘应力强度因子,并与解析公式计算结果进行对比分析,二者最大误差为4.7%,且随着裂纹扩展,误差越来越小。结果表明,提出的数值方法可用于含裂纹结构整个裂纹前缘不同类型应力强度因子求解中。     

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。     

基于CFD-非线性有限元双向耦合的集装箱船波浪下结构崩溃数值仿真

[目的]充分考虑载荷非线性和物面非线性因素的影响,研究集装箱船在波浪下结构响应及动态结构崩溃模式。[方法]首先,基于CFD平台建立船舶水动力模型,采用重叠网格法实现船体水动力模型动边界网格与远场流体域的欧拉网格间的匹配,在流体全域内采用流体体积法模拟自由面非线性,在流场全域内求解三维N–S方程,实时求解非线性波浪载荷;然后,建立可模拟船舯崩溃行为的船舶非线性有限元模型,基于显式动力学非线性有限元法计算包含塑性和屈曲的时域崩溃响应;最后,实现水动力模型与结构有限元模型在湿表面上的流体压力和节点位移的传递,以此进行CFD求解器与非线性有限元求解器间的双向迭代耦合,并实时计算4 600 TEU集装箱船结构崩溃过程中的非线性波浪载荷和结构崩溃响应。[结果]结果显示,在极端波浪下上部至中部结构广泛进入塑性状态,主甲板、舷侧板、甲板纵骨和舷侧纵骨等构件在波浪下出现明显的屈服及失稳,甲板纵骨和舷侧纵骨等骨材发生严重的侧向失稳,船体结构丧失了承载能力。[结论]所提方法可较准确求解结构响应及动态崩溃模式,可作为研究船舶结构崩溃响应的一种新方法。     

基于流固耦合的轮缘推进器水动力性能和强度校核分析

[目的]为了综合分析轮缘推进器的整体水动力性能和强度性能,提出采用基于流固耦合的计算方法进行联立求解。[方法]首先,采用计算流体动力学(CFD)方法计算3种不同导流罩结构的轮缘推进器在不同进速下的推力、扭矩和效率等参数,分析3种结构的轮缘推进器的水动力性能计算结果,以确定最佳的导流罩结构型式;然后,通过联立求解,将CFD计算结果作为轮缘推进器强度校核的载荷条件,计算其在实际工况下的等效应力。[结果]计算结果表明:导流罩对轮缘推进器水动力性能的影响非常大,即使采用相同的螺旋桨模型,不同的导流罩结构也将直接影响整个推进器的推力和效率;对于配置最佳导流罩结构型式的轮缘推进器,螺旋桨在设计航速下的最大等效应力为许用值的68.16%,可以满足设计工况条件下的强度要求。[结论]流固耦合计算方法适用于轮缘推进器的水动力性能和强度校核的有效分析。     

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.     

大侧斜螺旋桨强度校核探讨

针对大侧斜螺旋桨复杂的几何外形和载荷分布,为准确解决其强度校核问题,介绍了两种螺旋桨强度校核方法,传统的悬臂梁法和有限元法。前者视桨叶为变截面的悬臂梁,按正车最大航速时的静态负荷来进行校核;采用有限元法在全速正车和紧急倒车状态时计算叶片的应力应变,重点介绍了紧急倒车过程中作用在桨叶上最大水动力载荷的确定方法。最后通过算例分析,比较两种方法校核同一螺旋桨强度的结果,指出有限元法更适合用于大侧斜螺旋桨的强度校核。     

RANS,DES和LES对螺旋桨流噪声预报的适用性分析

[目的]为研究不同湍流模型在螺旋桨流噪声预报中的适用性,以DTMB 4119螺旋桨为研究对象,对非均匀进流条件下的频域噪声进行数值模拟。[方法]首先,采用RANS方法计算螺旋桨在不同进速下的水动力系数和桨叶表面压力分布,并将仿真值与试验值进行比较,验证流场模拟的准确性;然后,分别将RANS,DES和LES这3种方法得到的脉动压力作为声源,结合声学边界元预报辐射噪声。[结果]计算结果表明,线谱噪声是螺旋桨总噪声的主要贡献者;当预报一阶叶频上的噪声时,3种方法所得结果较为接近,可以采用RANS方法进行快速预报;当预报高阶叶频上的噪声时,采用LES方法预报的结果更加准确。[结论]在噪声预报时可以根据需求选择合适的湍流模拟方法。     

海洋平台中KK管节点表面裂纹应力强度因子的有限元计算方法

海洋平台中的KK管节点由于长期承受循环载荷而容易在焊缝处产生疲劳表面裂纹.对包含表面裂纹的KK节点的残余寿命的评估依赖于对表面裂纹应力强度因子的准确估算.本文首先提出了KK节点中表面裂纹的有限元网格产生方法,然后采用线弹性断裂力学理论,通过裂纹前缘的位移外推插值法分析了KK节点在轴向力作用下沿着表面裂纹的应力强度因子的分布情况.最后,通过对22个KK节点的模型分析,研究了节点的几何参数和裂纹形状参数对应力强度因子的影响情况.     

不均匀进流场下螺旋桨非定常力的数值模拟

本文基于STAR-CCM+对非均匀来流下的螺旋桨非定常力进行数值模拟,通过与试验值进行比较,分析了时间离散格式、单位时间步长螺旋桨旋转角度与网格密度对计算结果的影响。结果表明,在螺旋桨非定常力计算中,螺旋桨单位时间步长的旋转角度应为1.8°同时选取二阶时间离散格式,桨叶表面网格的边界增长率设定为medium就可以达到计算精度的要求。并在此基础上,对Suboff全附体潜艇模型下3个螺旋桨的非定常力进行数值模拟,分析桨叶个数以及桨叶侧斜对非定常力变化幅度的影响。