一种极地船舶螺旋桨强度计算方法与流程

1.本发明涉及极地船舶推进器结构性能评估技术领域，尤其是一种极地船舶螺旋桨强度计算方法。


背景技术：

2.极地船舶螺旋桨在工作过程中会与冰体发生碰撞作用，使得其工作环境十分恶劣，因此螺旋桨的强度直接影响极地船舶运行安全性。
3.建立极地船舶螺旋桨强度计算方法，可以在设计阶段对螺旋桨的强度进行评估，提升产品设计迭代效率，可以为极地船舶螺旋桨结构设计提供支撑。


技术实现要素：

4.本技术人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种极地船舶螺旋桨强度计算方法，从而是一种基于有限元方法的极地船舶螺旋桨强度计算方法，使用该方法可以计算出螺旋桨最大等效应力值及最大等效应力发生位置，满足设计阶段对于螺旋桨强度的评估要求。
5.本发明所采用的技术方案如下：
6.一种极地船舶螺旋桨强度计算方法，基于有限元方法对极地船舶螺旋桨强度进行计算，操作过程如下：
7.(一)建立螺旋桨有限元模型：
8.根据螺旋桨参数获得不同半径处的桨叶剖面线，把螺旋桨不同半径处的叶剖面线导入三维建模软件；
9.通过曲线扫略生成叶片三维实体，创建桨榖，螺旋桨单叶片模型；
10.根据载荷施加位置对叶片表面进行分区，
11.把建立好的三维模型导出为igs格式文件，利用有限元软件读入三维几何文件；
12.(二)网格划分：
13.指定壁面上网格单元的最大尺度，通常选取0.01倍的螺旋桨直径作为网格单元的最大尺度，生成四面体网格；
14.螺旋桨网格，同时赋予几何模型的材料属性，给定泊松比、杨氏模量和密度；
15.(三)约束和载荷施加：
16.在桨榖两侧端面施加固定约束，载荷方向为垂直于0.7半径处的弦线，载荷方向；
17.(四)螺旋桨强度计算及结果处理：
18.基于有限元静力学求解方法，计算获得了螺旋桨的等效应力分布，螺旋桨等效应力分布完成，给出了最大应力的位置和数值，从而实现极地船舶螺旋桨强度计算。
19.其进一步技术方案在于：
20.约束和载荷施加中，载荷工况1，力为fb，在叶片吸力面上，对从0.6r 到叶梢并从导边延伸0.2倍弦长的区域，均匀施加的压力。
21.约束和载荷施加中，载荷工况2，力为50％fb，在叶片吸力面上，对从0.9r 以外的螺旋桨的叶梢区域，均匀施加的压力。
22.约束和载荷施加中，载荷工况3，力为ff，在叶片压力面上，对从0.6r 到叶梢并从导边延伸0.2倍弦长的区域，均匀施加的压力。
23.约束和载荷施加中，载荷工况4，50％ff，在叶片压力面上，对从0.9r以外的螺旋桨的叶梢区域，均匀施加的压力。
24.约束和载荷施加中，载荷工况5，60％
×
max{fb，ff}，在叶片压力面上，对从0.6r到叶梢并从随边延伸到0.2倍弦长的区域，均匀施加的压力。
25.本发明的有益效果如下：
26.本发明操作方便，基于有限元方法对极地船舶螺旋桨强度进行计算，提出极地船舶螺旋桨强度计算方法，建立螺旋桨有限元模型，对螺旋桨模型进行网格划分，对螺旋桨壁面进行分区，对不同区域施加不同载荷计算螺旋桨的应力分布，实现极地船舶螺旋桨强度计算。
27.本发明通过在螺旋桨不同位置施加等效载荷，实现了考虑冰桨作用的极地船舶螺旋桨强度计算。
附图说明
28.图1为本发明螺旋桨不同半径剖面线的结构示意图。
29.图2为本发明螺旋桨的三维模型图。
30.图3为本发明桨叶壁面分区图。
31.图4为本发明有限元模型图。
32.图5为本发明螺旋桨网格图。
33.图6为本发明固定约束施加位置的结构示意图。
34.图7为本发明桨叶受力方向的结构示意图。
35.图8为本发明载荷施加位置和方向的结构示意图。
36.图9为本发明螺旋桨等效应力分布图。
37.图10为本发明螺旋桨模型及叶片分区示意图。
38.图11为本发明螺旋桨模型网格示意图。
39.图12为本发明螺旋桨模型等效应力分布示意图。
具体实施方式
40.下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
41.如图1-图12所示，本实施例的极地船舶螺旋桨强度计算方法，基于有限元方法对极地船舶螺旋桨强度进行计算，操作过程如下：
42.(一)建立螺旋桨有限元模型：
43.根据螺旋桨参数获得不同半径处的桨叶剖面线，把螺旋桨不同半径处的叶剖面线导入三维建模软件；
44.通过曲线扫略生成叶片三维实体，创建桨榖，螺旋桨单叶片模型；
45.根据载荷施加位置对叶片表面进行分区，
46.把建立好的三维模型导出为igs格式文件，利用有限元软件读入三维几何文件；
47.(二)网格划分：
48.指定壁面上网格单元的最大尺度，通常选取0.01倍的螺旋桨直径作为网格单元的最大尺度，生成四面体网格；
49.螺旋桨网格，同时赋予几何模型的材料属性，给定泊松比、杨氏模量和密度；
50.(三)约束和载荷施加：
51.在桨榖两侧端面施加固定约束，载荷方向为垂直于0.7半径处的弦线，载荷方向；
52.(四)螺旋桨强度计算及结果处理：
53.基于有限元静力学求解方法，计算获得了螺旋桨的等效应力分布，螺旋桨等效应力分布完成，给出了最大应力的位置和数值，从而实现极地船舶螺旋桨强度计算。
54.约束和载荷施加中，载荷工况1，力为fb，在叶片吸力面上，对从0.6r 到叶梢并从导边延伸0.2倍弦长的区域，均匀施加的压力。
55.约束和载荷施加中，载荷工况2，力为50％fb，在叶片吸力面上，对从0.9r 以外的螺旋桨的叶梢区域，均匀施加的压力。
56.约束和载荷施加中，载荷工况3，力为ff，在叶片压力面上，对从0.6r 到叶梢并从导边延伸0.2倍弦长的区域，均匀施加的压力。
57.约束和载荷施加中，载荷工况4，50％ff，在叶片压力面上，对从0.9r以外的螺旋桨的叶梢区域，均匀施加的压力。
58.约束和载荷施加中，载荷工况5，60％
×
max{fb，ff}，在叶片压力面上，对从0.6r到叶梢并从随边延伸到0.2倍弦长的区域，均匀施加的压力。
59.本发明基于有限元方法对极地船舶螺旋桨强度进行计算，
60.提出极地船舶螺旋桨强度计算方法，
61.具体过程如下：
62.(一)建立螺旋桨有限元模型：
63.根据螺旋桨参数获得不同半径处的桨叶剖面线，把螺旋桨不同半径处的叶剖面线导入三维建模软件，如图1,通过曲线扫略生成叶片三维实体，创建桨榖，螺旋桨单叶片模型如图2所示，根据载荷施加位置对叶片表面进行分区，如图 3所示，有限元模型如图4所示。
64.(二)网格划分：
65.指定壁面上网格单元的最大尺度，通常选取0.01倍的螺旋桨直径作为网格单元的最大尺度，生成四面体网格。螺旋桨网格如图5所示。同时赋予几何模型的材料属性，给定泊松比、杨氏模量和密度。
66.(三)约束和载荷施加：
67.在桨榖两侧端面施加固定约束，如图6所示，按照表1施加载荷的大小和位置依次施加载荷，载荷方向为垂直于0.7半径处的弦线，载荷方向如图7所示。以表1中的工况4为例，载荷施加位置和方向如图7所示。
68.(四)螺旋桨强度计算及结果处理：
69.基于有限元静力学求解方法，计算获得了螺旋桨的等效应力分布，螺旋桨等效应力(equivlent(von-mises)stress)分布如图9所示，给出了最大应力的位置和数值，从而实现极地船舶螺旋桨强度计算。
70.本发明公开的一种极地船舶螺旋桨强度计算方法，通过在螺旋桨不同位置施加等效载荷，实现了考虑冰桨作用的极地船舶螺旋桨强度计算。
71.表1极地船舶螺旋桨强度计算载荷以及载荷施加位置说明
[0072][0073]
注：fb为船舶寿命周期内正转撞击冰块时桨叶受到的最大向后弯曲力，ff 为船舶寿命周期内正转撞击冰块时桨叶受到的最大向前弯曲力。
[0074]
其中fb由下式计算获得：
[0075][0076]
其中d为螺旋桨直径，m；
[0077][0078]hice
进入螺旋桨的最大冰块设计厚度，m；
[0079]
对于调距桨n为最大持续功率无冰块自由运转时的标定转速，rps；
[0080]
对于定距桨n为最大持续功率无冰块自由运转时的85％，rps；
[0081]
ear为螺旋桨盘面比；
[0082]
z为螺旋桨叶片数。
[0083]
其中fr由下式计算获得：
[0084][0085]
其中
[0086]
d为桨盘面处桨榖外直径，m；
[0087]
d为螺旋桨直径，m；
[0088]hice
进入螺旋桨的最大冰块设计厚度，m；
[0089]
ear为螺旋桨盘面比；
[0090]
z为螺旋桨叶片数。
[0091]
如表1所示，为了计算极地船舶螺旋桨强度，首先确定载荷施加的区域和载荷大小，然后建立螺旋桨几何模型，根据载荷施加区域对螺旋桨叶片壁面进行分区，如图10所示，赋予螺旋桨材料属相，创建螺旋桨结构网格，网格尺度选取为螺旋桨直径的百分之一，螺旋桨网格如图2所示，在桨榖边缘施加固支约束，根据表1所示在螺旋桨对应区域施加集中力载荷，力的方向为垂直于0.7r 弦线，进行有限元求解，获得推进器应力结果，如图12所示。
[0092]
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

技术特征：
1.一种极地船舶螺旋桨强度计算方法，其特征在于：基于有限元方法对极地船舶螺旋桨强度进行计算，操作过程如下：(一)建立螺旋桨有限元模型：根据螺旋桨参数获得不同半径处的桨叶剖面线，把螺旋桨不同半径处的叶剖面线导入三维建模软件；通过曲线扫略生成叶片三维实体，创建桨榖，螺旋桨单叶片模型；根据载荷施加位置对叶片表面进行分区，把建立好的三维模型导出为igs格式文件，利用有限元软件读入三维几何文件；(二)网格划分：指定壁面上网格单元的最大尺度，通常选取0.01倍的螺旋桨直径作为网格单元的最大尺度，生成四面体网格；螺旋桨网格，同时赋予几何模型的材料属性，给定泊松比、杨氏模量和密度；(三)约束和载荷施加：在桨榖两侧端面施加固定约束，载荷方向为垂直于0.7半径处的弦线，载荷方向；(四)螺旋桨强度计算及结果处理：基于有限元静力学求解方法，计算获得了螺旋桨的等效应力分布，螺旋桨等效应力分布完成，给出了最大应力的位置和数值，从而实现极地船舶螺旋桨强度计算。2.如权利要求1所述的一种极地船舶螺旋桨强度计算方法，其特征在于：约束和载荷施加中，载荷工况1，力为fb，在叶片吸力面上，对从0.6r到叶梢并从导边延伸0.2倍弦长的区域，均匀施加的压力。3.如权利要求1所述的一种极地船舶螺旋桨强度计算方法，其特征在于：约束和载荷施加中，载荷工况2，力为50％fb，在叶片吸力面上，对从0.9r以外的螺旋桨的叶梢区域，均匀施加的压力。4.如权利要求1所述的一种极地船舶螺旋桨强度计算方法，其特征在于：约束和载荷施加中，载荷工况3，力为ff，在叶片压力面上，对从0.6r到叶梢并从导边延伸0.2倍弦长的区域，均匀施加的压力。5.如权利要求1所述的一种极地船舶螺旋桨强度计算方法，其特征在于：约束和载荷施加中，载荷工况4，50％ff,在叶片压力面上，对从0.9r以外的螺旋桨的叶梢区域，均匀施加的压力。6.如权利要求1所述的一种极地船舶螺旋桨强度计算方法，其特征在于：约束和载荷施加中，载荷工况5，60％
×
max{fb,ff}，在叶片压力面上，对从0.6r到叶梢并从随边延伸到0.2倍弦长的区域，均匀施加的压力。

技术总结
本发明涉及一种极地船舶螺旋桨强度计算方法，基于有限元方法对极地船舶螺旋桨强度进行计算，操作过程如下：(一)建立螺旋桨有限元模型：(二)网格划分：指定壁面上网格单元的最大尺度，通常选取0.01倍的螺旋桨直径作为网格单元的最大尺度，生成四面体网格；螺旋桨网格，同时赋予几何模型的材料属性，给定泊松比、杨氏模量和密度；(三)约束和载荷施加：在桨榖两侧端面施加固定约束，载荷方向为垂直于0.7半径处的弦线，载荷方向；(四)螺旋桨强度计算及结果处理：基于有限元静力学求解方法，计算获得了螺旋桨的等效应力分布，螺旋桨等效应力分布完成，给出了最大应力的位置和数值，从而实现极地船舶螺旋桨强度计算，操作方便。操作方便。操作方便。


技术研发人员：许影博 武珅 刘登成 辛公正 唐登海
受保护的技术使用者：中国船舶科学研究中心
技术研发日：2021.12.06
技术公布日：2022/3/8