CN109800472B - 一种冰桨接触过程中桨叶表面瞬时冰载压力分布计算方法 - Google Patents

Abstract

一种冰桨接触过程中桨叶表面瞬时冰载压力分布计算方法，属于极地航行船舶冰区桨载荷预报领域。本发明首先通过读入螺旋桨的型值参数，建立螺旋桨几何模型，并对螺旋桨表面进行网格划分；然后，将冰场实体结构离散成一系列冰物质点，并初始化所有冰物质点密度、体积、速度、加速度；根据螺旋桨和冰块之间的位置关系，形成冰桨接触计算模型；实施冰桨接触检测方法，确定出每一个物质点与螺旋桨表面哪个面元发生接触，获得当前时刻桨叶表面冰载压力分布；应用近场动力学方法计算出当前时刻海冰粒子的破碎情况；进行下一个时间步的冰桨接触区域识别和海冰破碎计算，直到到达最大时间步结束计算。本发明具有实施程序简便、计算效率高等优点。

Description

一种冰桨接触过程中桨叶表面瞬时冰载压力分布计算方法

技术领域

本发明属于极地航行船舶冰区桨载荷预报领域，特别是一种冰桨接触过程中桨叶表面瞬时冰载压力分布的预报及海冰破碎过程数值模拟的计算方法。

背景技术

当破冰船航行于有冰海域，特别是破冰状态下航行时，海冰对船体结构、推进系统和舵系等有较大的危害。尤其，螺旋桨作为破冰船动力核心部分，其设计和研究需要得到更多关注。由于螺旋桨通常是裸露于船体外侧且桨叶叶梢的速度非常快，加上海冰材料物理和力学性质的复杂多变以及冰桨桨作用方式的随机性，使得冰桨相互作用呈现出复杂的动态变化过程，给冰区桨的安全运转带来了巨大的挑战。而且，在船舶实际运行过程中，一旦冰桨发生接触，将会有极端冰载荷作用在桨叶上。在冰桨接触工况下螺旋桨冰载荷要比其水动力载荷大一个数量级以上。加上螺旋桨厚度较薄以及低温环境下表现出脆性，在这样载荷作用下易导致桨叶出现损坏或变形。相关研究表明，直接作用于桨叶表面的冰载荷压力分布决定着桨叶变形和损坏情况。由此可见，建立一种可靠的冰桨接触桨叶表面瞬时冰载压力分布计算方法对于冰区桨的设计强度评估和设计是非常重要的。

国内外学者已对冰桨接触应用理论分析、数值预报以及模型实验等开展研究。自上个世纪六十年国外学者就开始在车床、拖曳水池以及循环水槽中开展冰桨接触冰载荷试验研究。但是由于冰桨接触实验实施难度大，一直以来进展缓慢，目前还无法测量桨叶表面承受的冰载荷，也无法开展实船冰桨接触实验。随着冰桨接触实验的开展，人们逐渐掌握冰桨接触时的作用关系及其机理，这为冰桨接触理论研究提供了可能。于是，一些学者在总结冰桨接触试验规律和机理的基础上，通过对冰桨接触的模型和作用过程以及冰的破坏模式进行简化，先后建立了多种冰桨接触模型，用于预报冰桨接触下的冰载荷。这些理论模型比较理想化，只适用于特定工况下常规推进器的冰载荷的预报，而由于冰桨作用过程的随机性、冰块形状的多变性且材料的复杂多变性等，将增加冰载荷预报问题的复杂度。虽然人们对冰桨接触过程进行了大量的理论和实验研究工作，但是由于冰桨接触过程和海冰的破坏机理十分复杂，加上海冰本身的物理和力学特殊性，国内外对冰桨接触预报方法研究的整体水平仍然不高，迫切的需要建立一种新的理论和数值预报方法。近场动力学在模拟海冰等材料大尺度变形以及断裂问题上有明显的优势，是开展冰桨接触问题研究非常可行的数值预报方法。

本发明便是在近场动力学方法的框架下，考虑冰桨接触问题的实际情况，建立一种冰桨接触桨叶表面瞬时冰载压力分布计算方法。较为通用的是利用FORTRAN语言自编程序实现，当然也可采用其他高级语言实现。采用近场动力学方法解决冰桨接触桨叶表面瞬时冰载压力分布计算问题，海冰采用的是近场动力学模型，将船体表面考虑成刚性固体且不发生变形，并采用接触检测理论识别冰船接触位置，可形象模拟冰桨接触过程中海冰破碎过程，并计算桨叶瞬时冰载压力分布，对开展保证冰区桨强度的可靠性和指导设计有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于建立一种冰桨接触过程中桨叶表面瞬时冰载压力分布计算方法，不仅能够计算冰桨接触过程中桨叶表面瞬时冰载压力分布，还可形象模拟出海冰的动态破碎过程。

本发明的目的是这样实现的：

一种冰桨接触过程中桨叶表面瞬时冰载压力分布计算方法，包括以下步骤：

(1)确定冰桨接触计算工况，包括螺旋桨转速，冰块的物理和力学参数、尺度，冰块的运动速度；

(2)输入螺旋桨的几何参数型值表，选择螺旋桨的径向和弦向网格划分方式和数目，建立螺旋桨几何模型，并根据冰桨接触区域对螺旋桨进行合理网格划分；

(3)根据冰场的物理和力学参数、尺度，将冰块离散成物质点形式，初始化所有物质点的密度、体积、速度、加速度；

(4)在每个时刻，对所有冰物质点，采用冰桨接触检测方法判断出每一个物质点是否与螺旋桨发生接触，计算出桨叶每个面元受到的冰载荷，进而获得整个桨叶的冰载压力分布；

(5)应用近场动力学方法计算所有物质点受到的近场力和外载荷，进而计算出所有物质点的加速度，通过时间积分获得当前时刻所有物质点的位移和速度，根据破坏准则获得海冰的破碎情况；

(6)下一个时间步重复步骤4和步骤5，直到到达最大时间步结束计算。

步骤2中进行螺旋桨三维模型面网格划分时，需要根据接触位置进行合理网格划分；

若接触区域在桨叶导边，弦向网格导边到随边采用由密到疏的网格划分方式，划分公式为

若接触区域在桨叶随边，弦向网格采用导边到随边网格由疏到密的网格划分方式，划分公式为

若接触区域在桨叶叶梢，弦向网格采用导边到随边网格由密到疏再到密的网格划分方式，划分公式为

步骤4中冰桨接触区域识别方法包括以下具体实施过程：

步骤4.1，将所有物质点由直角坐标转换为极坐标形式后，检测物质点是否位于桨叶叶根和叶梢所包围的范围内，是否在每一个桨叶的导边和随边所包围的角度方位内，若不在则认为没有接触，否则将假设其为能够与螺旋桨接触的物质点；

步骤4.2，对每一个假设的能够与螺旋桨接触的物质点，通过点面几何关系来确定冰粒子与螺旋桨是否发生接触；

步骤4.3，确定出每一个物质点与螺旋桨表面哪个面元发生接触，并计算出每一个物质点与对应面元的接触力大小，接触力计算公式为

其中，

在t+Δt时刻新分配位置物质点的速度；

在t+Δt时刻渗入到螺旋桨体内的物质点的速度；

将每个面元受到接触力除以其面积，得到每个面元受到的冰载压力，t+Δt时刻第kz个叶片第j个面元受到的接触压力

进而获得整个螺旋桨表面的冰载压力；

步骤4.4，整个螺旋桨表面对其接触压力积分计算，获得整个螺旋桨在不同方向上的接触力与力矩，其表达式可以由下式来表示：

式中，

为在O-XYZ坐标系中的第k个叶片中第j个面元上单位法向量；

为在O-XYZ坐标系中的第k个叶片中第j个面元上的控制点的坐标；

为第k个叶片中第j个面元的面积。

采用近场动力学方法来模拟海冰的破碎过程。

冰桨接触作用过程中，将桨叶看作刚性固体且不变形。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

在近场动力学方法框架下，考虑冰桨接触的实际情况，结合冰桨接触检测方法，发明了一种冰桨接触桨叶表面瞬时冰载压力分布计算方法，能够巧妙地计算出冰桨接触过程中桨叶表面的瞬时冰载压力，这是现有方法没法做到的，同时能够形象地模拟出动态海冰破碎过程。本发明具有实施程序简便、计算效率高等优点，只需输入计算工况、螺旋桨几何参数型值表、冰块参数等，网格划分过程，可以嵌入到冰区桨设计过程中，形成快速计算冰区桨性能能力，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是本发明不同位置接触下桨叶的网格划分图，图2(a)为网格由密到疏划分图，图 2(b)为网格由疏到密划分图，图2(c)为网格由密到疏再到密划分图；

图3是本发明桨叶面元冰载压力计算原理图；

图4是本发明冰桨接触过程动态海冰破碎过程及桨叶表面瞬时冰载压力计算结果，图4 (a)为t＝6ms，图4(b)为t＝30ms，图4(c)为t＝54ms，图4(d)为t＝78ms，图4(e) 为t＝96ms；

图5本发明冰桨接触过程桨叶力和力矩计算结果，图5(a)为x方向冰桨接触过程桨叶力和力矩计算结果图，图5(b)为z方向冰桨接触过程桨叶力和力矩计算结果图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本实施例利用FORTRAN语言自编程序，实施本发明提出的一种冰桨接触桨叶表面瞬时冰载压力分布计算方法。本发明提出的冰桨接触桨叶表面瞬时冰载压力分布计算方法图如图 1所示。该实例的具体过程如下：

步骤1，确定冰桨接触计算工况，螺旋桨转速为2rps，冰的速度为1.8m/s，冰的尺寸为 1.25m×2.8m×0.75m；

步骤2，输入螺旋桨的几何参数型值表，本次实例螺旋桨直径为4.12m，毂径比为0.3,叶数Z为4，螺旋桨的径向和弦向网格划分数目均为28，建立螺旋桨几何模型，并根据冰桨接触区域对螺旋桨进行合理网格划分；若接触区域在桨叶导边，弦向采用下式为网格划分方式，即导边到随边网格由密到疏，获得的网格划分结果如图2(a)所示。

若接触区域在桨叶随边，弦向采用下式为网格划分方式，即导边到随边网格由疏到密，获得的网格划分结果如图2(b)所示。

若接触区域在桨叶导边，弦向采用下式为网格划分方式，即导边到随边网格由密到疏再到密，获得的网格划分结果如图2(c)所示。

步骤3，根据冰场的物理和力学参数、尺度等，将冰块离散成物质点形式，离散成六面体、四面体或者三角形棱柱等，初始化所有物质点密度、体积、速度、加速度等；

步骤4，将时间步长设定为0.00001s，在每个时刻，对所有冰物质点，采用冰桨接触检测算法判断出每一个物质点是否与螺旋桨发生接触。将所有物质点由直角坐标转换为极坐标形式后，检测物质点是否位于桨叶叶根和叶梢所包围的范围内，是否在每一个桨叶的导边和随边所包围的角度方位内，假如不在的话说明没有接触，否则将其定义为可能与螺旋桨接触的物质点。对每一个可能与螺旋桨接触的物质点，通过点面几何关系来确定冰粒子与螺旋桨是否发生接触。在t+Δt时刻，确定出每一个物质点与螺旋桨表面哪个面元发生接触，并由下式计算出每一个物质点x_(k)与对应面元的接触力大小

其中，

在t+Δt时刻新分配位置物质点的速度；

在t+Δt时刻渗入到螺旋桨体内的物质点的速度。

通过冰桨接触检测和物质点接触力计算，可获知计算域内任意一个海冰粒子是否与螺旋桨方法接触，若有接触，可判断出与螺旋桨哪个叶片上的第几个面元发生接触以及与该面元的接触力大小。反过来说，螺旋桨表面任意一个面元与哪些海冰粒子接触及其接触力大小也可确定，如图3所示。进一步，可计算出在t+Δt时刻第kz个叶片第j个面元受到的接触压力

从而，获得冰作用下螺旋桨表面的接触压力。沿整个螺旋桨表面对其接触压力积分计算，获得螺旋桨在不同方向上的接触力与力矩，其表达式可以由下式来表示：

式中，

为在O-XYZ坐标系中的第k个叶片中第j个面元上单位法向量；

为在O-XYZ坐标系中的第k个叶片中第j个面元上的控制点的坐标；

为第k个叶片中第j个面元的面积。

步骤5，应用近场动力学方法计算所有物质点受到的近场力和外载荷，进而计算出所有物质点的加速度，通过时间积分可获得当前时刻所有物质点的位移和速度，根据破坏准则获得海冰的破碎情况；

步骤6，下一个时间步重复步骤4和步骤5，直到到达最大时间步结束计算。

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一种冰桨接触桨叶表面瞬时冰载压力分布计算方法，并在程序中将计算结果进行可视化输出，使得计算结果能够在TECPLOT等可视化软件中进行展示，通俗直观。

本实施例的冰桨接触过程动态海冰破碎过程及桨叶表面瞬时冰载压力计算结果，如图4 所示，图4(a)为t＝6ms，图4(b)为t＝30ms，图4(c)为t＝54ms，图4(d)为t＝78ms，图4(e)为t＝96ms。本实施例的冰桨接触过程桨叶力和力矩计算结果图，如图5所示，图5 (a)为x方向冰桨接触过程桨叶力和力矩计算结果图，图5(b)为z方向冰桨接触过程桨叶力和力矩计算结果图。

Claims (3)

1.一种冰桨接触过程中桨叶表面瞬时冰载压力分布计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定冰桨接触计算工况，包括螺旋桨转速，冰块的物理和力学参数、尺度，冰块的运动速度；

步骤2：输入螺旋桨的几何参数型值表，选择螺旋桨的径向和弦向网格划分方式和数目，建立螺旋桨几何模型，并根据冰桨接触区域对螺旋桨进行合理网格划分；

进行螺旋桨三维模型面网格划分时，需要根据接触位置进行合理网格划分；

若接触区域在桨叶导边，弦向网格导边到随边采用由密到疏的网格划分方式，划分公式为

若接触区域在桨叶随边，弦向网格采用导边到随边网格由疏到密的网格划分方式，划分公式为

若接触区域在桨叶叶梢，弦向网格采用导边到随边网格由密到疏再到密的网格划分方式，划分公式为

步骤3：根据冰场的物理和力学参数、尺度，将冰块离散成物质点形式，初始化所有物质点的密度、体积、速度、加速度；

步骤4：在每个时刻，对所有冰物质点，采用冰桨接触检测方法判断出每一个物质点是否与螺旋桨发生接触，计算出桨叶每个面元受到的冰载荷，进而获得整个桨叶的冰载压力分布；

步骤4.1：将所有物质点由直角坐标转换为极坐标形式后，检测物质点是否位于桨叶叶根和叶梢所包围的范围内，是否在每一个桨叶的导边和随边所包围的角度方位内，若不在则认为没有接触，否则将假设其为能够与螺旋桨接触的物质点；

步骤4.2：对每一个假设的能够与螺旋桨接触的物质点，通过点面几何关系来确定冰粒子与螺旋桨是否发生接触；

步骤4.3：确定出每一个物质点与螺旋桨表面哪个面元发生接触，并计算出每一个物质点与对应面元的接触力大小，接触力计算公式为：

其中，

在t+Δt时刻新分配位置物质点的速度；

在t+Δt时刻渗入到螺旋桨体内的物质点的速度；

将每个面元受到接触力除以其面积，得到每个面元受到的冰载压力，t+Δt时刻第kz个叶片第j个面元受到的接触压力

为：

进而获得整个螺旋桨表面的冰载压力；

步骤4.4：整个螺旋桨表面对其接触压力积分计算，获得整个螺旋桨在不同方向上的接触力与力矩，其表达式由下式来表示：

式中，

为在O-XYZ坐标系中的第k个叶片中第j个面元上单位法向量；

为在O-XYZ坐标系中的第k个叶片中第j个面元上的控制点的坐标；

为第k个叶片中第j个面元的面积；

步骤5：应用近场动力学方法计算所有物质点受到的近场力和外载荷，进而计算出所有物质点的加速度，通过时间积分获得当前时刻所有物质点的位移和速度，根据破坏准则获得海冰的破碎情况；

步骤6：下一个时间步重复步骤4和步骤5，直到到达最大时间步结束计算。

2.根据权利要求1所述的一种冰桨接触过程中桨叶表面瞬时冰载压力分布计算方法，其特征在于：采用近场动力学方法来模拟海冰的破碎过程。

3.根据权利要求1所述的一种冰桨接触过程中桨叶表面瞬时冰载压力分布计算方法，其特征在于：冰桨接触作用过程中，将桨叶看作刚性固体且不变形。

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