CN109165477A - 一种螺旋桨静强度计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于螺旋桨静强度计算领域，具体涉及一种螺旋桨静强度计算方法。采用面元法和有限元法结合的方式进行螺旋桨静强度计算，具有效率高，计算结果准确等优点。首先将需要计算的螺旋桨进行面元网格划分和实体结构的单元网格划分，进行网格划分之后形成总体刚度矩阵和等效节点力，之后利用面元法计算螺旋桨表面压力分布和水动力性能，采用有限元法计算螺旋桨应力和位移，这样便可以得到变形后的螺旋桨模型。最后进行迭代计算，通过判断最大位移量是否收敛，计算出最终的螺旋桨静强度计算结果。本发明可以实现螺旋桨的静强度计算，改善现有计算方法中网格划分复杂，计算时间长等缺点，为螺旋桨的设计提供参考。

Description

一种螺旋桨静强度计算方法
技术领域
本发明属于螺旋桨静强度计算领域，具体涉及一种螺旋桨静强度计算方法。
背景技术
螺旋桨作为船舶航行过程中的动力来源，一直以来是船舶设计的重要关注点。螺旋桨结构的可靠性是保证船舶航行性能满足要求的前提条件，故对航行安全有着重要意义。然而，随着船舶朝大型化、高速化方向发展，大功率主机的应用导致螺旋桨桨叶的表面负荷增大，而大侧斜螺旋桨的广泛应用使螺旋桨的强度问题变得更加突出。当螺旋桨工作时，其产生的推力和旋转阻力对桨叶具有弯曲和扭转的作用，而且螺旋桨旋转产生的离心力还会造成桨叶弯曲以及沿展向外拉伸。若螺旋桨强度不足，可能会使螺旋桨发生破损或断裂，或因变形大而导致螺旋桨的水动力性能无法满足设计要求。因此，为了提高螺旋桨设计效率和保证螺旋桨桨叶的强度，迫切需要开发一种能准确、快速预报螺旋桨桨叶强度的方法。
目前，螺旋桨桨叶强度预报可采用规范校核、数值预报和模型试验等方法。国内外有关规范都规定了强度校核的方法和要求，但均是基于大量的使用经验而提出，其预报结果比较保守。而在模型试验方面，螺旋桨强度模型试验成本较高，试验难度大且耗时多，无法广泛应用。
螺旋桨强度数值分析方法主要采用悬臂梁法和有限元法。悬臂梁法是一种比较方便且可行的桨叶应力预报方法，但该方法将桨叶简化为变截面扭曲的悬臂梁，这一缺陷使得不能精准预报螺旋桨的强度。对于有限元法，开展较多的是采用CFD计算与有限元分析软件结合的方法来预报桨叶应力分布。这种方法虽然能准确预报螺旋桨桨叶的应力分布，但需要复杂的建模、网格划分过程，不利于螺旋桨的设计，而且将边界元程序与有限元软件对接存在接口稳定性不足的问题。
因此进行新的螺旋桨静强度计算方法设计具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种螺旋桨静强度计算方法。
一种螺旋桨静强度计算方法计算过程为：
(1)确定螺旋桨的几何参数和计算工况；
(2)根据螺旋桨的几何参数以及工况，
(2.1)将需要计算的螺旋桨进行实体结构的单元网格划分；
(2.2)将需要计算的螺旋桨进行面元网格划分；
(3)根据螺旋桨面元网格划分，利用面元法计算螺旋桨表面压力分布和水动力性能；
(4)进行螺旋桨实体结构的单元网格划分以及计算螺旋桨表面压力分布和水动力性能之后形成总体刚度矩阵和等效节点力；
(5)根据总体刚度矩阵和等效节点力，采用有限元法计算螺旋桨应力和位移；
(6)根据螺旋桨应力和位移，得到变形后的螺旋桨模型；
(7)进行迭代计算，判断最大位移量是否收敛，若收敛计算过程结束，若不收敛则重新执行步骤(2.2)，计算出最终的螺旋桨静强度计算结果。
基于速度势的低阶边界元法，对每个桨叶布置的双曲面求解下式获得扰动速度势φ：
式中：SW为尾涡面；φ为扰动速度势；RPQ为场点P到螺旋桨表面上点Q的距离，RPQ1为场点P到尾涡点Q1的距离；nQ为螺旋桨表面上点Q的单位法向量，nQ1为尾涡点Q1的单位法向量；Δφ为通过尾涡面SW的速度势跳跃；
利用伯努利方程求解得到步骤(3)所述面元控制点的压力分布和水动力性能。
将螺旋桨表面压力分布和结构单元旋转引起的离心力施加到有限元体单元中，通过整个结构的总体力平衡下式，求解螺旋桨的应力和位移分布：
Ku＝Fce+Fr
式中K为刚度矩阵，u为节点位移，Fce为离心力，Fr为水动力载荷。
将有限元计算得到的螺旋桨表面节点位移与边界元法点坐标相加，求解下式获得扰动速度势φ：
式中：SW为尾涡面；φ为扰动速度势；RPQ为场点P到螺旋桨表面上点Q的距离，RPQ1为场点P到尾涡点Q1的距离；nQ为螺旋桨表面上点Q的单位法向量，nQ1为尾涡点Q1的单位法向量；Δφ为通过尾涡面SW的速度势跳跃；
利用伯努利方程求解得到面元控制点的压力分布和水动力性能；重复步骤(2.2)到步骤(6)，直到满足最大位移收敛条件为止。
本方法采用双向流，即，固耦合方法，将边界元法预报的计算结果和有限元法预报的结构计算结果相互传递，两种方法在迭代时由于边界条件的改变而开始新的计算。所采用的桨叶模型为DTRC 4119模型桨，螺旋桨材料选择为密度为7600kg/m3的镍铝青铜，材料的弹性模量E＝113GPa，泊松比为0.34。计算工况设定为：设计进速系数为0.833，转速为600r/min。进行面元网格划分时，展向和弦向网格数为24*24，厚度方向网格为6。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：将边界元方法与有限元方法耦合进行螺旋桨强度计算，能够快速和准确地预报螺旋桨强度。编译程序实现该发明能够克服CFD软件中复杂的建模、网格划分过程，具有实施程序简便、计算效率高等优点，可以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，提高螺旋桨的设计效率。
附图说明
图1是本发明流程图。
图2是本发明网格划分图。
图3(a)是本发明静强度计算结果第一视角图。
图3(b)是本发明静强度计算结果第二视角图。
图3(c)是本发明静强度计算结果第三视角图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
一种螺旋桨静强度计算方法，采用面元法和有限元法结合的方式进行螺旋桨静强度计算，具有效率高，计算结果准确等优点。首先将需要计算的螺旋桨进行面元网格划分和实体结构的单元网格划分，进行网格划分之后形成总体刚度矩阵和等效节点力，之后利用面元法计算螺旋桨表面压力分布和水动力性能，采用有限元法计算螺旋桨应力和位移，这样便可以得到变形后的螺旋桨模型。最后进行迭代计算，通过判断最大位移量是否收敛，计算出最终的螺旋桨静强度计算结果。本发明可以实现螺旋桨的静强度计算，改善现有计算方法中网格划分复杂，计算时间长等缺点，为螺旋桨的设计提供参考。
一种螺旋桨静强度计算方法，其特征在于，具体计算过程是：
步骤1，确定螺旋桨的几何参数和计算工况
步骤2，进行螺旋桨实体结构的单元网格划分
步骤3，螺旋桨面元网格划分
步骤4，形成总体刚度矩阵和等效节点力
步骤5，面元法计算螺旋桨表面压力分布和水动力性能
步骤6，有限元法计算螺旋桨应力和位移
步骤7，得到变形后的螺旋桨模型
步骤8，进行迭代计算，判断最大位移量是否收敛，若收敛计算过程结束，若不收敛则重新执行步骤3。
其具体迭代步骤是：
步骤1，基于速度势的低阶边界元法，对每个桨叶布置的双曲面求解式(1)获得扰动速度势φ，利用伯努利方程求解得到面元控制点的压力分布和水动力性能。
步骤2，将螺旋桨表面压力分布和结构单元旋转引起的离心力施加到有限元体单元中，通过整个结构的总体力平衡方程式(2)，求解螺旋桨的应力和位移分布。
步骤3，将有限元计算得到的螺旋桨表面节点位移与边界元法点坐标相加，求解式(1)获得扰动速度势φ，利用伯努利方程求解得到面元控制点的压力分布和水动力性能。
步骤4，重复步骤2和步骤3，直到满足最大位移收敛条件为止。
式中：SW为尾涡面；φ为扰动速度势；RPQ,RPQ1分别为场点P到螺旋桨表面上点Q和尾涡点Q1的距离；nQ，nQ1分别为螺旋桨表面上点Q和尾涡点Q1的单位法向量；Δφ为通过尾涡面SW的速度势跳跃。
Ku＝Fce+Fr (2)
式中K为刚度矩阵，u为节点位移，Fce为离心力，Fr为水动力载荷。
采用双向流——固耦合方法，将边界元法预报的计算结果和有限元法预报的结构计算结果相互传递，两种方法在迭代时由于边界条件的改变而开始新的计算。所采用的桨叶模型为DTRC 4119模型桨，螺旋桨材料选择为密度为7600kg/m3的镍铝青铜，材料的弹性模量E＝113GPa,泊松比＝0.34。计算工况设定为：设计进速系数为0.833，转速为600r/min。进行面元网格划分时，展向和弦向网格数为24*24，厚度方向网格为6。
为了克服现有螺旋桨强度预报方法中存在的准确性不足、成本较高、花费时间较长等问题，本实施例提出了一种BEM/FEM耦合的螺旋桨静强度计算方法，具体过程是：
步骤1，确定螺旋桨的几何参数和计算工况
步骤2，进行螺旋桨实体结构的单元网格划分
步骤3，螺旋桨面元网格划分
步骤4，形成总体刚度矩阵和等效节点力
步骤5，面元法计算螺旋桨表面压力分布和水动力性能
步骤6，有限元法计算螺旋桨应力和位移
步骤7，得到变形后的螺旋桨模型
步骤8，进行迭代计算，判断最大位移量是否收敛，若收敛计算过程结束，若不收敛则重新执行步骤3。
本发明可以采用多种方式实现，利用各种高级语言编译程序实现本发明提出的计算方法，本实施例利用FORTRAN语言编译本发明提出的螺旋桨静强度计算方法。并在程序中将网格划分结果和计算结果进行可视化输出，使得网格划分结果和计算结果能够在TECPLOT中进行展示，通俗直观，并且可以跟CFD软件的计算结果进行对比，以验证本发明的有效性。
本发明提出的静强度计算方法流程图如图1所示。
本实施例进行的网格划分结果如图2所示。
本实施例的静强度计算结果如图3所示。

Claims (8)

1.一种螺旋桨静强度计算方法，其特征在于，该方法计算过程为：
(1)确定螺旋桨的几何参数和计算工况；
(2)根据螺旋桨的几何参数以及工况，
(2.1)将需要计算的螺旋桨进行实体结构的单元网格划分；
(2.2)将需要计算的螺旋桨进行面元网格划分；
(3)根据螺旋桨面元网格划分，利用面元法计算螺旋桨表面压力分布和水动力性能；
(4)进行螺旋桨实体结构的单元网格划分以及计算螺旋桨表面压力分布和水动力性能之后形成总体刚度矩阵和等效节点力；
(5)根据总体刚度矩阵和等效节点力，采用有限元法计算螺旋桨应力和位移；
(6)根据螺旋桨应力和位移，得到变形后的螺旋桨模型；
(7)进行迭代计算，判断最大位移量是否收敛，若收敛计算过程结束，若不收敛则重新执行步骤(2.2)，计算出最终的螺旋桨静强度计算结果。
2.根据权利要求1所述的一种螺旋桨静强度计算方法，其特征在于：基于速度势的低阶边界元法，对每个桨叶布置的双曲面求解下式获得扰动速度势φ：
式中：SW为尾涡面；φ为扰动速度势；RPQ为场点P到螺旋桨表面上点Q的距离，RPQ1为场点P到尾涡点Q1的距离；nQ为螺旋桨表面上点Q的单位法向量，nQ1为尾涡点Q1的单位法向量；Δφ为通过尾涡面SW的速度势跳跃；
利用伯努利方程求解得到步骤(3)所述面元控制点的压力分布和水动力性能。
3.根据权利要求2所述的一种螺旋桨静强度计算方法，其特征在于：将螺旋桨表面压力分布和结构单元旋转引起的离心力施加到有限元体单元中，通过整个结构的总体力平衡下式，求解步骤(5)所述螺旋桨的应力和位移分布：
Ku＝Fce+Fr
式中K为刚度矩阵，u为节点位移，Fce为离心力，Fr为水动力载荷。
4.根据权利要求3所述的一种螺旋桨静强度计算方法，其特征在于：将有限元计算得到的螺旋桨表面节点位移与边界元法点坐标相加，求解下式获得扰动速度势φ：
式中：SW为尾涡面；φ为扰动速度势；RPQ为场点P到螺旋桨表面上点Q的距离，RPQ1为场点P到尾涡点Q1的距离；nQ为螺旋桨表面上点Q的单位法向量，nQ1为尾涡点Q1的单位法向量；Δφ为通过尾涡面SW的速度势跳跃；
利用伯努利方程求解得到面元控制点的压力分布和水动力性能；重复步骤(2.2)到步骤(6)，直到满足最大位移收敛条件为止。
5.根据权利要求1所述的一种螺旋桨静强度计算方法，其特征在于：采用双向流，即，固耦合方法，将边界元法预报的计算结果和有限元法预报的结构计算结果相互传递，两种方法在迭代时由于边界条件的改变而开始新的计算。
6.根据权利要求1所述的一种螺旋桨静强度计算方法，其特征在于：所采用的桨叶模型为DTRC 4119模型桨，螺旋桨材料选择为密度为7600kg/m3的镍铝青铜，材料的弹性模量E＝113GPa，泊松比为0.34。
7.根据权利要求1所述的一种螺旋桨静强度计算方法，其特征在于，计算工况设定为：设计进速系数为0.833，转速为600r/min。
8.根据权利要求1所述的一种螺旋桨静强度计算方法，其特征在于：进行面元网格划分时，展向和弦向网格数为24*24，厚度方向网格为6。
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