CN110683014A - 一种喷水推进器的激励载荷加载方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种喷水推进器的激励载荷加载方法，包括步骤：基于水动力学原理构建喷水推进系统模型；通过水动力计算软件控制所述喷水推进系统模型运行，并于所述喷水推进器的流道稳定时采集流道壁上各监控点上的脉动压力值；通过傅里叶变换将脉动压力值的时域数据转换为频域数据，对频域数据进行分析，得出各监控点上叶轮叶频对应的激励脉动压力幅值和脉冲压力相位角；建立船体尾部结构的动力学分析模型；将脉动压力幅值和脉冲压力相位角加载于动力学分析模型的流道上，实现了喷水推进器激励力的频域加载，解决了采用喷水推进形式船舶的激励载荷获取及加载问题，从而对船体的振动响应状况有一定的把控。

Description

一种喷水推进器的激励载荷加载方法

技术领域

本发明涉及船体结构动力学分析评估领域，尤其涉及一种喷水推进器的激励载荷加载方法。

背景技术

近年来，喷水推进装置在高速、高性能船舶领域应用越来越广泛。与传统的螺旋桨推进相比，喷水推进具有抗空泡能力强、振动噪音低、适应变工况能力强、推进效率较高、操纵性能优异等众多优点。

在国内，喷水推进装置一般用于小型的单体船、滑行艇、双体船、三体船等高速舰船，这类船舶具有吨位小、船舶尺度较小等特点，其长宽比一般较小。这类船舶对激励源作用下的振动比较敏感，其振动性能也是船舶设计者非常关心的。而现有的船体振动估算经验公式均是基于细长体(大的长宽比)假设的，显然在这类船型上是不适用的。因此，在设计之初，需对船体的振动响应进行评估，了解船体的振动性能，从而指导设计。

船舶喷水推进装置是船体振动的主要激励源之一，喷水推进装置有别于传统螺旋桨，螺旋桨产生的脉动压力直接作用于船体外表面，而喷水推进器的螺旋桨产生的脉动压力作用于流道之内，由于流道剖面为圆形，有些学者认为，流道对称受力，不产生脉动激励，故忽略了喷水推进器带来振动响应。但实际上，由于流道内流场十分复杂，螺旋桨产生的脉动压力不是完全对称的，仍会产生一定的脉动激励，其对小型船舶的船体振动的影响不可以忽略。

对于螺旋桨的脉动压力，目前是按时域或频域进行加载，然后基于激励载荷的计算结果利用频响分析技术对船体结构进行振动响应分析。对于设计之初，资料不全的情况下，如何获得喷水推进器的脉动压力值，如何将激励加载于流道之内，国内还未见相关报道。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种喷水推进器的激励载荷加载方法，解决以上技术问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种喷水推进器的激励载荷加载方法，包括如下步骤：

S100、基于水动力学原理构建喷水推进系统模型；

S200、通过水动力计算软件控制所述喷水推进系统模型运行，并于所述喷水推进器的流道稳定时采集流道壁上各监控点上的脉动压力值；

S300、通过傅里叶变换将所述脉动压力值的时域数据转换为频域数据，对所述频域数据进行分析，得出各所述监控点上叶轮叶频对应的激励脉动压力幅值和脉动压力相位角；

S400、基于有限元分析软件建立船体尾部结构的动力学分析模型；

S500、将所述脉动压力幅值和所述脉动压力相位角加载于所述动力学分析模型的流道上。

优选地，所述喷水推进系统模型包括尾部船体模型、喷水推进器流道壁模型和叶轮模型。

优选地，所述流道稳定的判断标准为所述流道壁内的水流速度保持匀速运动。

优选地，所述动力学分析模型的内部流道形状结构与喷水推进器和尾部船体的内部流道形状结构一致，所述动力学分析模型为有限元模型。

优选地，在步骤S200中，采集所述脉动压力值的时间为所述叶轮转动周期的整数倍采集所述脉动压力值的时间大于或等于所述叶轮转动的一个周期。

优选地，所述监控点包括第一压力监控组、第二压力监控组和第三压力监控组，所述第一压力监控组、第二压力监控组和第三压力监控组均设置若干压力监控点；

所述第一压力监控组设在所述流道的进水口剖面上，所述第二压力监控组设在所述叶轮剖面上，所述第三压力监控设在所述流道的出水口剖面上。

优选地，所述脉动压力幅值和所述脉动压力相位角的加载方法包括：

S501、对每个剖面上的所述压力监控点均进行顺序编号；

S502、在任意一剖面内，以奇数位的各个编号点的相位作为剖面上各横截面的脉动压力相位角，以偶数位的编号点作为脉动压力作用面的分界；

S503、依据步骤S502作出横截面激励加载图，将每个所述横截面分为若干区域，依据每个区域压力值的最大值和相位值得出一激励力值和一脉动压力相位角。

优选地，所述脉动压力幅值和脉动压力相位角均沿船体的长度方向加载。

有益效果：本发明在叶轮剖面、流道的进水口和出水口设置多个监控点，并通过水动力软件分析，得出各点的脉动压力的时域分布，利用傅立叶变换实现激励载荷时域到频域结果的转换，并采用频域的加载方法加载于叶轮附近的流道内，作为振动响应分析的输入值，并基于计算流体动力学(CFD)得到了喷水推进器叶频激励的脉动压力值，实现了喷水推进器激励力的频域加载，解决了采用喷水推进形式船舶的激励载荷难以获取及加载问题，从而对船体的振动响应状况有一定的把控。

附图说明

图1为本发明的喷水推进器的激励载荷加载方法的步骤流程图；

图2为本发明的喷水推进系统模型的结构示意图；

图3为本发明的各剖面监控点位置示意图；

图4为本发明的水动力模型的三维编号示意图；

图5为本发明的横截面激励加载图；

图6为本发明的激励在动力学分析模型上加载示意图。

图中：101-尾部船体模型；102-喷水推进器流道壁模型；103-叶轮模型；104-进水口；105-出水口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

如图1所示，本发明提供了一种喷水推进器的激励载荷加载方法，包括如下步骤：

S100、基于水动力学原理构建喷水推进系统模型；

S200、通过水动力计算软件控制喷水推进系统模型运行，并于喷水推进器的流道稳定时采集流道壁上各监控点上的脉动压力值；

S300、通过傅里叶变换将脉动压力值的时域数据转换为频域数据，对频域数据进行分析，得出各监控点上叶轮叶频对应的激励脉动压力幅值和脉动压力相位角；

S400、基于有限元分析软件建立船体尾部结构的动力学分析模型；

S500、将脉动压力幅值和脉动压力相位角加载于动力学分析模型的流道上。

本发明的创新点在于：

本发明在叶轮剖面、流道的进水口和出水口设置多个监控点，并通过水动力软件分析，得出各点的脉动压力的时域分布，利用傅立叶变换实现激励载荷时域到频域结果的转换，并采用频域的加载方法加载于叶轮附近的流道内，作为振动响应分析的输入值，并基于计算流体动力学(CFD，Computational Fluid Dynamics)得到了喷水推进器叶频激励的脉动压力值，实现了喷水推进器激励力的频域加载，解决了采用喷水推进形式船舶的激励载荷难以获取及加载问题，从而对船体的振动响应状况有一定的把控。

如图2和图3所示，作为本发明一种优选的实施方式，喷水推进系统模型包括尾部船体模型101、喷水推进器流道壁模型102和叶轮模型103，尾部船体模型101的流道与喷水推进器流道壁模型102的流道连通，叶轮模型103设在流道内。重点关注叶轮附近区域的压力分布，即图2的1区域。具体地，在该关注区域，选取进水口104的一剖面FACE.1、叶轮处的一剖面FACE.2、出水口105的一剖面FACE.3三个剖面，每个剖面上均匀选取8个监控点，见图3。

作为本发明一种优选的实施方式，基于水动力计算软件对喷水推进装置典型工况进行分析，在控制喷水推进系统模型运行一定的时间步长后，流道稳定即可测量并采集流道壁上各监控点的脉动压力值，流道稳定的判断标准为流道壁内的水流速度保持匀速运动。流道稳定时测量的脉动压力值更加可靠，采集的脉动压力值也更加贴合运行状态下的喷水推进系统模型的脉动压力值。

作为本发明一种优选的实施方式，动力学分析模型的内部流道形状结构与喷水推进器和尾部船体的内部流道形状结构一致，使动力学分析模型能真实的反映喷泵流道的结构。动力学分析模型为有限元模型，便于有限元分析软件(MSC.Patran)对数据的计算和分析。

如图4所示，作为本发明一种优选的实施方式，在步骤S200中，采集所述脉动压力值的时间大于或等于所述叶轮转动的一个周期，保证至少采集一个完整周期内的所需数据。经过一定的时间步长，待流场稳定后，采集流道壁上各监控点的脉动压力值，至少历时叶轮转动一周，获得三个剖面共24个点处脉动压力的时域分布。

作为本发明一种优选的实施方式，监控点包括第一压力监控组、第二压力监控组和第三压力监控组，第一压力监控组、第二压力监控组和第三压力监控组均设置若干压力监控点；

第一压力监控组设在流道的进水口剖面上，第二压力监控组设在叶轮剖面上，第三压力监控设在流道的出水口剖面上。具体地，每个剖面均匀设置8个压力监控点，三个剖面共24个监控点。

通过傅立叶变换，将上述测量和采集获得的24个监控点的脉动压力的时域结果转换为频域数据结果。经过数据分析，得出各点叶轮叶频对应下的激励脉动压力幅值及脉动相位角。其中脉动压力幅值在±30％叶频范围内取最大值。

如图5所示，作为本发明一种优选的实施方式，脉动压力幅值和脉动压力相位角的加载方法包括：

S501、对每个剖面上的压力监控点均进行顺序编号；

S502、在任意一剖面内，以奇数位的各个编号点的相位作为剖面上各横截面的脉动压力相位角，以偶数位的编号点作为脉动压力作用面的分界；

S503、依据步骤S502作出横截面激励加载图，如图6所示，将每个横截面分为若干区域，依据每个区域压力值的最大值和相位值得出一激励力值和一脉动压力相位角。

具体地，加载过程中，对于每一个剖面，均以1-8的8个整数顺序编号。以1、3、5、7点的相位作为各横截面的脉动压力相位角，以2、4、6、8点作为脉动压力作用面的分界。

即将每个横截面分成四个区域，区域1内加载的激励力为1、2、8三点处压力最大值，脉动压力相位角取1点的相位值；

同理，区域2内加载的激励力为2、3、4三点处压力最大值，相位角取3点的相位值；

区域3内加载的激励力为4、5、6三点处压力最大值，相位角取5点的相位值；

区域4内加载的激励力为6、7、8三点处压力最大值，相位角取8点的相位值。

如图6所示，作为本发明一种优选的实施方式，加载过程中，脉动压力幅值和脉动压力相位角均沿船体的长度方向加载。由于喷水推进器一般安装在船尾，且船的航行方向与船长方向一致，因此加载方向沿船的长度方向。

具体地，依据上述的横截面加载图，在区域Z1内，即FACE.3～FACE.2间按FACE.3截面的加载方式加载；

在区域Z2内，即FACE.2～FACE.1间按FACE.2截面的加载方式加载；

在区域Z3内，即在FACE.1至向船首延伸一个叶轮直径(D)距离间按FACE.1截面的加载方式加载。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种喷水推进器的激励载荷加载方法，其特征在于，包括如下步骤：

S100、基于水动力学原理构建喷水推进系统模型；

S200、通过水动力计算软件控制所述喷水推进系统模型运行，并于所述喷水推进器的流道稳定时采集流道壁上各监控点上的脉动压力值；

S300、通过傅里叶变换将所述脉动压力值的时域数据转换为频域数据，对所述频域数据进行分析，得出各所述监控点上叶轮叶频对应的激励脉动压力幅值和脉动压力相位角；

S400、基于有限元分析软件建立船体尾部结构的动力学分析模型；

S500、将所述脉动压力幅值和所述脉动压力相位角加载于所述动力学分析模型的流道上。

2.根据权利要求1所述的一种喷水推进器的激励载荷加载方法，其特征在于，所述喷水推进系统模型包括尾部船体模型、喷水推进器流道壁模型和叶轮模型。

3.根据权利要求1所述的一种喷水推进器的激励载荷加载方法，其特征在于，所述流道稳定的判断标准为所述流道壁内的水流速度保持匀速运动。

4.根据权利要求1所述的一种喷水推进器的激励载荷加载方法，其特征在于，所述动力学分析模型的内部流道形状结构与喷水推进器和尾部船体的内部流道形状结构一致，所述动力学分析模型为有限元模型。

5.根据权利要求1所述的一种喷水推进器的激励载荷加载方法，其特征在于，在步骤S200中，采集所述脉动压力值的时间大于或等于所述叶轮转动的一个周期。

6.根据权利要求1所述的一种喷水推进器的激励载荷加载方法，其特征在于，所述监控点包括第一压力监控组、第二压力监控组和第三压力监控组，所述第一压力监控组、第二压力监控组和第三压力监控组均设置若干压力监控点；

所述第一压力监控组设在所述流道的进水口剖面上，所述第二压力监控组设在所述叶轮剖面上，所述第三压力监控设在所述流道的出水口剖面上。

7.根据权利要求6所述的一种喷水推进器的激励载荷加载方法，其特征在于，所述脉动压力幅值和所述脉动压力相位角的加载方法包括：

S501、对每个剖面上的所述压力监控点均进行顺序编号；

S502、在任意一剖面内，以奇数位的各个编号点的相位作为剖面上各横截面的脉动压力相位角，以偶数位的编号点作为脉动压力作用面的分界；

S503、依据步骤S502作出横截面激励加载图，将每个所述横截面分为若干区域，依据每个区域压力值的最大值和相位值得出一激励力值和一脉动压力相位角。

8.根据权利要求7所述的一种喷水推进器的激励载荷加载方法，其特征在于，所述脉动压力幅值和脉动压力相位角均沿船体的长度方向加载。

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