CN115310201A - 一种冰区全回转推进器可调速舵设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冰区全回转推进器可调速舵设计方法，包括以下步骤:获取船舶航行水域的位置以及所述的航行水域的季节性海洋环境条件；获取基本设计参数，计算相应的设计推力载荷和设计扭矩载荷；设定模拟参数，分析获取负载数据；分析冰与舵桨壳体间的冰压工况；采用有限元法计算相应部件的应力，并进行冰载荷疲劳分析；全回转舵桨装置的静强度和冰块冲击强度以及冰块冲击疲劳强度分析；设置冰池和制造舵桨模型，在冰池中模拟所述的航行水域的航行环境，观察所述的舵桨模型的航行情况，评估舵桨的航行性能。开发了冰级船舶运营冰载荷下全回转推进器舵桨装置的设计和评估方法，确保全回转推进舵桨装置的设计能在复杂载荷下保证可靠的工作。

Description

一种冰区全回转推进器可调速舵设计方法
技术领域
本发明涉及调速舵设计技术领域，具体涉及一种冰区全回转推进器可调速舵设计方法。
背景技术
极地冰级船舶推进器的设计和制造技术是伴随着多年来对极地冰区海洋环境、气候、冰况特性的研究而产生并发展的，对极地冰级航行船舶的推进装置型式的研究都是极地冰级船舶推进器设计技术发展的影响因素和重要技术。全回转推进器是目前冰级船舶推进器主要采用的一种结构形式。
极地冰级船舶全回转推进器舵桨的设计需要对极地航行水域的冰块形态、物理特性进行假定，对冰块作用于桨叶通过载荷传递的形式施加在舵桨上的推力和附加弯矩载荷以及冰直接作用到舵桨装置的冲击载荷进行合理假设和充分评估。对冰级船舶全回转推进器舵桨装置的设计和其作用的扭矩载荷、推力载荷、弯矩载荷等进行量化模拟,从而对推进器舵桨部件在冰载荷作用下的强度等性能进行设计、分析和评估。
但是由于在量化模拟的过程中，影响因素的数量和种类，经常会导致模拟的准确性不足，而如果对冰载荷冲击作用下舵桨装置的载荷考虑不充分或者评估不恰当，则可能导致在设计冰况下航行时船舶全回转推进装置的操纵失效或产生机械泄漏问题，严重的还会导致船体受损或污染极地水域的情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冰区全回转推进器可调速舵设计方法，解决解决极地冰区航行船舶的全回转舵桨装置装置在不同冰区冰冲击载荷情况下的结构合理设计和部件强度评估不准确的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种冰区全回转推进器可调速舵设计方法，包括以下步骤:
获取船舶航行水域的位置以及所述的航行水域的季节性海洋环境条件，根据冰级规范确定航行水域的冰级和相应的冰级参数；
获取基本设计参数，所述的基本设计参数包括桨叶直径、桨叶数量、螺距比、盘面比、转速，计算相应的设计推力载荷和设计扭矩载荷；
设定模拟参数，基于基本设计参数下的全回转舵桨装置在模拟参数下的冰冲击载荷计算，分析获取负载数据，所述的负载数据包括在冰冲击载荷下全回转舵桨装置承受的推力、转叶扭矩、冰冲击扭矩载荷和叶片失效载荷；
分析冰与全回转推进器舵桨相互作用时舵桨壳体的冰压工况，所述的冰压工况包括轴向以及切向的对称和非对称冰冲击工况；
采用有限元法计算相应部件的应力，并计算冰载荷循环次数，依据weibull分布理论和Miner线性累积损伤理论对舵桨部件进行冰载荷疲劳分析；
全回转舵桨装置的静强度和冰块冲击强度以及冰块冲击疲劳强度分析；
设置冰池和制造舵桨模型，在冰池中模拟所述的航行水域的航行环境，观察所述的舵桨模型在冰池内部的航行情况，评估舵桨的航行性能。。
作为本发明进一步的方案：所述模拟参数包括最大冰块厚度Hice、冰级强度系数Sice、冰级载荷次数Nclass值，在设定过程中按照船舶入级规范选取并对应所述的航行水域的冰级。
作为本发明进一步的方案：所述模拟冰冲击载荷计算的具体方法为：
根据船舶推进器的布置情况进行推进器的初步设计和选型，确定桨叶直径、桨叶数量、螺距比、盘面比、转速等基本参数；
根据冰级要求模拟进入舵桨装置的冰块尺寸，结合推进器设计的基本参数，进行模拟冰冲击载荷计算。
作为本发明进一步的方案：所述舵桨装置进行冰载荷计算的具体方法为：
确定合适的单元类型和网格密度，建立舵桨有限元模型；
对舵桨施加约束和冰压力载荷和冰冲击载荷；
进行有限元计算确定舵桨各区域的等效应力情况。
作为本发明进一步的方案：所述舵桨装置进行冰载荷冲击疲劳强度计算的具体方法为：
依据冰载荷计算获得的最大和最小等效应力；
将冰冲击疲劳载荷至少分为若干个模块，用于疲劳循环次数的计算；
确定材料相应的S-N曲线，经Miner累计损伤理论计算疲劳强度。
作为本发明进一步的方案：所述的舵桨的航行性能的评估的具体步骤如下：
获取所述的航行水域的冰块特性；
获取设计冰况的冰层材料和冰层厚度；
建立冰池，调整冰池内的冰块充分和冰块物理特性，构造出与所述航行水域相似且符合设计冰况的航行环境；
通过观察船舶在冰池中的航行情况，冰块作用于舵桨模型产生的载荷和振动，评估舵桨的强度和冰区航行性能。
作为本发明进一步的方案：在冰池中模拟航行环境的过程中，对冰块的尺寸和外形进行加工，模拟出航道的真实情况。
作为本发明进一步的方案：在将冰冲击疲劳载荷划分为若干个模块的过程中，所述的模块的数量至少为10个。
本发明的有益效果：本发明立足于冰级船舶全回转推进舵桨装置在冰载荷冲击下的的可靠性研究，通过对冰区环境的分析获取进行全回转舵距桨装置设计所需要的冰载荷参数；通过对极地冰级船舶航行工况的分析和对国外大量研究报告的汇总以及对规范的总结，确定了全回转推进器舵桨部件的设计和计算工作内容；通过对系统设计、计算、分析和评估工作的开展，开发了冰级船舶运营冰载荷下全回转推进器舵桨装置的设计和评估方法，确保全回转推进舵桨装置的设计能在复杂载荷下保证可靠的工作。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明一种冰区全回转推进器可调速舵设计方法的流程示意图；
图2是本发明中舵桨的有限元模型图；
图3是本发明中舵桨的应力云图。
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前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1所示，本发明为一种冰区全回转推进器可调速舵设计方法，包括以下步骤:
获取船舶航行水域的位置以及所述的航行水域的季节性海洋环境条件，根据冰级规范确定航行水域的冰级和相应的冰级参数；
获取基本设计参数，所述的基本设计参数包括桨叶直径、桨叶数量、螺距比、盘面比、转速，计算相应的设计推力载荷和设计扭矩载荷；
设定模拟参数，基于基本设计参数下的全回转舵桨装置在模拟参数下的冰冲击载荷计算，分析获取负载数据，所述的负载数据包括在冰冲击载荷下全回转舵桨装置承受的推力、转叶扭矩、冰冲击扭矩载荷和叶片失效载荷；
分析冰与全回转推进器舵桨相互作用时舵桨壳体的冰压工况，所述的冰压工况包括轴向以及切向的对称和非对称冰冲击工况；
如图2-3所示，采用有限元法计算相应部件的应力，并计算冰载荷循环次数，依据weibull分布理论和Miner线性累积损伤理论对舵桨部件进行冰载荷疲劳分析；
全回转舵桨装置的静强度和冰块冲击强度以及冰块冲击疲劳强度分析；
设置冰池和制造舵桨模型，在冰池中模拟所述的航行水域的航行环境，观察所述的舵桨模型在冰池内部的航行情况，评估舵桨的航行性能。
在本实施例中，所述的冰级规范指的是国际上通用范围比较广的《芬兰-瑞典冰级规范》，《芬兰-瑞典冰级规范》把抗冰船的抗冰级分为1A SUPER,1A,1B,1C,CLASS II，而在《俄罗斯船舶冰级规范》则是分为UL,L1,L2,L3,L4，与《芬兰-瑞典冰级规范》中的等级相对应，也即是UL＝1A SUPER,L1＝1A,L2＝1B,L3＝1C,L4＝ICE CLASS II。其中1A SUPER(超1A级)，要求该级别的船舶能在布满浮冰(浮冰最大厚度为1米，密集碎冰厚度不少于0.1米)的河道上以不少于5节的速度前行；1A级，要求该级别的船舶能在布满浮冰(浮冰最大厚度为1米，没有密集碎冰)的河道上以不少于5节的速度前行；1B级，要求该级别的船舶能在布满浮冰(浮冰最大厚度为0.8米，没有密集碎冰)的河道上以不少于5节的速度前行；1C级，要求该级别的船舶能在布满浮冰(浮冰最大厚度为0.6米，没有密集碎冰)的河道上以不少于5节的速度前行；CLASS II，没有具体的技术表现参数，但要求船只有加固船身，能在浮冰密度不大/冰层厚度小的海域靠自身的推进器前行。
weibull分布理论即韦伯分布，又称韦氏分布或威布尔分布，是可靠性分析和寿命检验的理论基础。威布尔分布在可靠性工程中被广泛应用，尤其适用于机电类产品的磨损累计失效的分布形式。由于它可以利用概率值很容易地推断出它的分布参数，被广泛应用于各种寿命试验的数据处理。
在本实施例中，所述模拟参数包括最大冰块厚度Hice、冰级强度系数Sice、冰级载荷次数Nclass值，在设定过程中按照船舶入级规范选取并对应所述的航行水域的冰级。其中船舶入级规范指的是《钢质海船入级规范》，是CCS提供国际航行海船入级服务的基础性规范，包括入级条件与范围以及相配套的技术要求，规定船舶构造、船体结构、机械与电气设备和系统、消防、环保等技术与建造标准、检验和试验要求，以及保持其良好状态的条件。
在本发明一种优选的实施例中，所述模拟冰冲击载荷计算的具体方法为：
根据船舶推进器的布置情况进行推进器的初步设计和选型，确定桨叶直径、桨叶数量、螺距比、盘面比、转速等基本参数；
根据冰级要求模拟进入舵桨装置的冰块尺寸，结合推进器设计的基本参数，进行模拟冰冲击载荷计算。
在本发明另一种优选的实施例中，所述舵桨装置进行冰载荷计算的具体方法为：
确定合适的单元类型和网格密度，建立舵桨有限元模型；
对舵桨施加约束和冰压力载荷和冰冲击载荷；
进行有限元计算确定舵桨各区域的等效应力情况。
在本发明另一种优选的实施例中，所述舵桨装置进行冰载荷冲击疲劳强度计算的具体方法为：
依据冰载荷计算获得的最大和最小等效应力；
将冰冲击疲劳载荷至少分为若干个模块，用于疲劳循环次数的计算；
确定材料相应的S-N曲线，经Miner累计损伤理论计算疲劳强度。
在常规的疲劳试验中，循环应力的应力幅在整个试验过程中保持不变。但是，大多数的机械零件和结构构件在工作中所承受的工作载荷是谱状载荷，即应力幅是有规则变化的，在工程设计中常常应用Miner疲劳损伤果积假说解决这类问题，
在本实施例中,在将冰冲击疲劳载荷划分为若干个模块的过程中，所述的模块的数量至少为10个。
在本发明另一种优选的实施例中，所述的舵桨的航行性能的评估的具体步骤如下：
获取所述的航行水域的冰块特性；
获取设计冰况的冰层材料和冰层厚度；
建立冰池，调整冰池内的冰块充分和冰块物理特性，构造出与所述航行水域相似且符合设计冰况的航行环境；
通过观察船舶在冰池中的航行情况，冰块作用于舵桨模型产生的载荷和振动，评估舵桨的强度和冰区航行性能。
值得注意的是，在本实施例中，在冰池中模拟航行环境的过程中，对冰块的尺寸和外形进行加工，模拟出航道的真实情况。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (8)

1.一种冰区全回转推进器可调速舵设计方法，其特征在于，包括以下步骤:
获取船舶航行水域的位置以及所述的航行水域的季节性海洋环境条件，根据冰级规范确定航行水域的冰级和相应的冰级参数；
获取基本设计参数，所述的基本设计参数包括桨叶直径、桨叶数量、螺距比、盘面比、转速，计算相应的设计推力载荷和设计扭矩载荷；
设定模拟参数，基于基本设计参数下的全回转舵桨装置在模拟参数下的冰冲击载荷计算，分析获取负载数据，所述的负载数据包括在冰冲击载荷下全回转舵桨装置承受的推力、转叶扭矩、冰冲击扭矩载荷和叶片失效载荷；
分析冰与全回转推进器舵桨相互作用时舵桨壳体的冰压工况，所述的冰压工况包括轴向以及切向的对称和非对称冰冲击工况；
采用有限元法计算相应部件的应力，并计算冰载荷循环次数，依据weibull分布理论和Miner线性累积损伤理论对舵桨部件进行冰载荷疲劳分析；
全回转舵桨装置的静强度和冰块冲击强度以及冰块冲击疲劳强度分析；
设置冰池和制造舵桨模型，在冰池中模拟所述的航行水域的航行环境，观察所述的舵桨模型在冰池内部的航行情况，评估舵桨的航行性能。
2.根据权利要求1所述的一种冰区全回转推进器可调速舵设计方法,其特征在于，所述模拟参数包括最大冰块厚度Hice、冰级强度系数Si ce、冰级载荷次数Nclass值，在设定过程中按照船舶入级规范选取并对应所述的航行水域的冰级。
3.根据权利要求1所述的一种冰区全回转推进器可调速舵设计方法,其特征在于，所述模拟冰冲击载荷计算的具体方法为：
根据船舶推进器的布置情况进行推进器的初步设计和选型，确定桨叶直径、桨叶数量、螺距比、盘面比、转速等基本参数；
根据冰级要求模拟进入舵桨装置的冰块尺寸，结合推进器设计的基本参数，进行模拟冰冲击载荷计算。
4.根据权利要求1所述的一种冰区全回转推进器可调速舵设计方法,其特征在于，所述舵桨装置进行冰载荷计算的具体方法为：
确定合适的单元类型和网格密度，建立舵桨有限元模型；
对舵桨施加约束和冰压力载荷和冰冲击载荷；
进行有限元计算确定舵桨各区域的等效应力情况。
5.根据权利要求4所述的一种冰区全回转推进器可调速舵设计方法,其特征在于，所述舵桨装置进行冰载荷冲击疲劳强度计算的具体方法为：
依据冰载荷计算获得的最大和最小等效应力；
将冰冲击疲劳载荷至少分为若干个模块，用于疲劳循环次数的计算；
确定材料相应的S-N曲线，经Miner累计损伤理论计算疲劳强度。
6.根据权利要求1所述的一种冰区全回转推进器可调速舵设计方法,其特征在于，所述的舵桨的航行性能的评估的具体步骤如下：
获取所述的航行水域的冰块特性；
获取设计冰况的冰层材料和冰层厚度；
建立冰池，调整冰池内的冰块充分和冰块物理特性，构造出与所述航行水域相似且符合设计冰况的航行环境；
通过观察船舶在冰池中的航行情况，冰块作用于舵桨模型产生的载荷和振动，评估舵桨的强度和冰区航行性能。
7.根据权利要求6所述的一种冰区全回转推进器可调速舵设计方法,其特征在于，在冰池中模拟航行环境的过程中，对冰块的尺寸和外形进行加工，模拟出航道的真实情况。
8.根据权利要求5所述的一种冰区全回转推进器可调速舵设计方法,其特征在于，在将冰冲击疲劳载荷划分为若干个模块的过程中，所述的模块的数量至少为10个。
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