一种提高抗冰载荷能力的冰区船舶螺旋桨桨叶优化方法

技术领域

本发明涉及船舶推进技术，特别属于一种优化螺旋桨桨叶优化从而提高冰区船舶螺旋桨桨叶抗冰载荷能力的设计方法。

背景技术

螺旋桨工作时作用在桨叶上的流体动力有轴向的推力及与转向相反的阻力，两者都使桨叶产生弯曲和扭转。螺旋桨在旋转时桨叶本身的质量产生径向的离心力，使桨叶受到拉伸，若桨叶具有倾斜或纵斜，则离心力还要使桨叶产生弯曲；而船舶在冰区航行或在破冰过程中，螺旋桨桨叶还将受到冰块载荷的作用力，冰块可能会对桨叶的撞击还可能会导致破冰船的螺旋桨产生扭曲、破裂甚至是桨轴断裂现象。可见，冰区船舶螺旋桨桨叶承受的载荷较为复杂。

国内外主要通过强度校核来判断螺旋桨的承载能力是否满足船舶安全航行。国内常规螺旋桨多采用悬臂梁方法进行强度校核，即把桨叶看作是扭曲的变截面的悬臂梁。冰区航行船舶螺旋桨的单位面积负荷功率往往较高，且由于冰载荷的存在，螺旋桨桨叶的强度校核方法与常规螺旋桨存在较大差别。国内CCS有部分关于冰区航行船舶的一般规定，但没有完整的关于螺旋桨强度检验方面的标准，国际相关规范体系仅对桨叶载荷受力类型有相关描述。从目前的相关研究文献看，针对冰区螺旋桨抗冰载荷的研究主要是进行强度校核且尚未形成完善的规范标准，而通过桨叶优化设计提高冰区螺旋桨抗冰载能力的方法研究较少。

因此，为保证冰区航行船舶的安全航行，必须在设计过程中考虑螺旋桨的抗冰载能力，提出相应的优化设计方法，使螺旋桨在冰区航行状态下具有足够的强度，不致破损或断裂。

发明内容

本发明目的是提供一种提高抗冰载荷能力的冰区船舶螺旋桨桨叶优化方法。采用该方案可模拟冰区航行船舶可螺旋桨受冰块撞击时的受力情况，并进行极限强度和疲劳强度分析，迭代修正桨叶设计参数，再进行水动力性能评估，最终形成桨叶设计方案，为冰区船舶安全航行提供技术支撑。

本发明的一种提高抗冰载荷能力的冰区船舶螺旋桨桨叶优化方法，主要步骤如下：第一步：根据螺旋桨冰级确定桨叶承受冰载荷的大小、区域和方向；

第二步：冰区航行船舶螺旋桨初步方案强度分析有限元网格划分；

第三步：有限元强度计算分析；

第四步：螺旋桨桨叶优化设计；

第五步：对修改后的桨叶方案进行有限元计算分析，若方案不能同时满足极限强度和疲劳强度衡准，或满足要求但结果冗余度较大，则根据第五步的方法继续对进行迭代修改，直到得到满足第三步中的强度衡准；

第六步，采用CFD数值仿真或模型试验等手段，对迭代修改后的桨叶进行敞水性能评估，验证其是否满足船舶在开敞水域的快速性要求；

第七步，确定最终桨叶优化方法，绘制桨叶图。

优选的，第一步：根据螺旋桨冰级确定桨叶承受冰载荷的大小、区域和方向。根据螺旋桨冰级及设计参数确定冰载荷大小，吸力面冰载荷大小为：

压力面冰载荷大小为：

其中，S

n为螺旋桨冰区航行最大转速(MCR)，单位rps；

D为桨叶直径，单位m；

d为桨毂直径，单位m；

EAR为盘面比；

Z为桨叶数；

根据冰载荷范围的不同，主要分为以下四个不同载荷工况：

(1)载荷大小为F

(2)载荷大小为0.5F

(3)载荷大小为F

(4)载荷大小为0.5F

第二步：冰区航行船舶螺旋桨初步方案强度分析有限元网格划分；

采用有限元方法进行螺旋桨冰载荷下的桨叶强度分析。根据冰区航行船舶螺旋桨设计参数几何关系，将螺旋桨初步方案的几何参数径向分布和叶剖面参数转换为空间点坐标值。利用三维软件构建空间点，将各个半径处空间点连成剖面轮廓线，将剖面轮廓线首尾端点连成导边和随边轮廓线，再根据轮廓线构建叶面和叶背空间曲面，检查曲面质量并进行修整以满足有限元分析要求。

对螺旋桨桨叶几何模型进行网格划分。为了能够表现出结构的复合三维应力状态，并达到可接受的精度，螺旋桨划分网格采用六面体或四面体空间体单元。叶片最薄区域沿叶片厚度方向至少划分2个体单元，并且保持单元形状良好。

第三步：有限元强度计算分析；

采用第二步得到的有限元分析网格，在叶根处约束所有自由度，分别按照第一步中确定的四个工况进行加载，开展有限元计算，得到螺旋桨各个工况下的应力分布，根据极限强度衡准和疲劳强度衡准分析螺旋桨强度情况。

首先分析极限强度。极限强度衡准如下：

其中，σ

再根据Palmgren-Miner准则校核疲劳强度。根据工况1的最大主应力和工况3的最小主应力得到桨叶的最大应力范围，计算Miner持续疲劳损失损害率MDR，若MDR<1，则螺旋桨桨叶疲劳强度满足要求。

第四步：螺旋桨桨叶优化设计；

通过第三步分析，若极限强度或疲劳强度有一个不满足衡准，则需进行桨叶优化。根据计算结果，通过增大相应区域的叶剖面厚度，调整叶剖面形式等途径进行桨叶优化设计；若有限元分析结果满足强度要求，但冗余度较大，适当减小相应区域的厚度，或调整叶剖面形式。修改区域与其他区域的设计参数保持径向光顺，以保证桨叶曲面的光顺度。

第五步：对修改后的桨叶方案进行有限元计算分析，若方案不能同时满足极限强度和疲劳强度衡准，或满足要求但结果冗余度较大，则根据第五步的方法继续对进行迭代修改，直到得到满足第三步中的强度衡准。

第六步，采用CFD数值仿真或模型试验等手段，对迭代修改后的桨叶进行敞水性能评估，验证其是否满足船舶在开敞水域的快速性要求。

第七步，确定最终桨叶优化方法，绘制桨叶图。

本发明提出的提高抗冰载荷能力的冰区船舶螺旋桨桨叶优化方法，与现有技术相比，其收益效果是：可在较短时间、较低的经费投入下，更准确模拟冰区船舶螺旋桨承受冰载荷作用的情况，有针对性的进行桨叶局部优化，在同时保证、安全性和水动力性能的情况下，避免冰区螺旋桨设计冗余。

附图说明

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明实施例的有限元模型及网格划分图；

图2为本发明实施例的工况1的加载情况；

图3为本发明实施例的工况2的加载情况；

图4为本发明实施例的工况3的加载情况；

图5为本发明实施例的工况4的加载情况；

图6为本发明实施例的加载工况1下的应力云图；

图7为本发明实施例的加载工况2下的应力云图；

图8为本发明实施例的加载工况3下的应力云图；

图9为本发明实施例的加载工况4下的应力云图；

图10为本发明实施例的工况1作用下最大主应力云图；

图11为本发明实施例的工况3作用下最小主应力云图；

图12为本发明实施例的工况1和工况3共同作用下的应力云图；

图13为本发明实施例的厚度优化方案径向分布。

具体实施方式

以下结合某PC6级冰区航行船舶可调螺旋桨桨叶强度优化为例，说明本发明的具体实施方式。

首先根据螺旋桨设计参数计算得到有限元分析4个工况如下表1所示，

表1螺旋桨叶片载荷工况

建立该螺旋桨桨叶几何模型，并进行有限元网格划分。如图1所示，有限元网格划分大部分区域采用六面体网格，叶稍局部采用四面体网格以保证计算精度和网格质量。

分别进行4个工况的加载，并设置相应的边界条件，见图2～图5。

进行等效应力计算，4个工况的应力云图见图6～图9，各个工况下的等效最大应力结果见表2；工况1和工况3的主应力云图见图10和图11，共同作用下的应力云图见图12，疲劳强度衡准计算结果见表3。

表2初始方案极限强度计算结果

表3初始方案疲劳强度计算结果

根据螺旋桨材料计算得到许用应力值为284MPa，而4个工况最大等效应力为304MPa，可见本方案的极限强度不满足要求，需进行桨叶优化。

如图13所示，调整桨叶方案厚度径向分布，将0.4R半径处的厚度增大10％，0.4R以内厚度增量逐渐增大，0.4R以外厚度增量逐渐增小到0.6R半径处厚度与初始方案一致，保证优化后的厚度径向分布光顺。通过有限元分析计算，优化后方案的极限强度和疲劳强度见表4和表5，皆满足要求，且计算结果冗余度不大。

表4优化方案极限强度计算结果

表5优化方案疲劳强度计算结果

评估优化后的螺旋桨水动力性能，厚度调整后对螺旋桨敞水性能影响不大，经计算，可满足本船快速性需求。

最后根据优化的桨叶设计参数重新绘制桨叶图，形成本船螺旋桨设计方案。