冰桨接触动态特性及桨强度的预报方法研究

发布时间：2020-08-29 11:23

　　 破冰船是各国实施极地战略必不可少的交通工具,其研发和建造近年来得到了越来越多研究者的关注。破冰船在有冰海域航行时,海冰将随着船体运动靠近螺旋桨,并与螺旋桨发生阻塞、碰撞、铣削、排挤等相互作用。特别是在冰桨铣削和碰撞等接触工况下,非常容易引起螺旋桨极端冰载荷作用。通常,冰桨相互作用下的冰载荷比水动力载荷要大一个量级以上,如此大的冰载荷作用在桨叶上,会引起桨叶的变形和损坏,加上冰载荷具有剧烈脉动的特性,将通过轴系传递到船体,引进船体结构的局部损坏。因此,开展冰桨接触动态特性及桨的强度预报方法研究是冰区桨研究的重中之重,对确保破冰船在极地环境下的安全航行有着重要的意义。在以往的研究中,研究者更多的精力放在了理论分析和实验研究上,而对冰桨数值计算方法的开发研究的不多。由于冰桨接触实验的实施有较大难度,冰区桨的许多实际工况无法用实验开展研究,冰桨接触的许多现象和本质都没有被揭示。而数值方法可以克服这些缺点,模拟出实验无法实施的冰桨接触工况。为此,本文将冰桨接触动态特性的数值计算方法,掌握冰桨接触作用规律和机理,形成冰区螺旋桨桨叶强度分析步骤,为冰区螺旋桨的设计提供支撑。本文在绪论部分综述了海冰研究、冰桨接触研究以及冰区桨强度研究的进展。从海冰研究进展综述分析中发现,近场动力学方法能够很好地模拟材料的大尺度变形和断裂,非常适用于对海冰破碎过程的模拟。从理论预报、数值模拟和实验研究三个方面对冰桨接触研究进展进行了综述,认为目前冰桨接触数值预报方法研究还处于起步阶段,仍然有许多问题需要解决。对冰区桨强度研究综述,认为虽然已有学者开展研究,但是研究手段比较有限。近场动力学方法是本文研究冰桨接触动态特性的基础。在论文的第二部分对近场动力学运动方程进行了系统的推导,并从运动方程离散、粒子搜索算法、计算修正以及边界处理等方面介绍了近场动力学的数值求解方法。讨论了海冰的力学性质,分析海冰在受到不同拉伸和压缩载荷作用下表现出来的复杂的力学特征。针对冰块在冲击载荷作用下的破碎特点,总结推导了适用于冰破碎问题模拟的材料破坏准则和冰载荷计算方法,并发展了基于近场动力学方法的冰冲击问题的数值求解模型,自主开发相应的计算程序。为了验证近场动力学方法在模拟海冰破碎问题的可行性,以球形冰冲击问题和柱形冰冲击问题为例,分析了不同物质点的间距对计算结果的影响,确保了计算方法的稳定性;将计算结果与实验数据、实验照片进行对比。考虑螺旋桨几何外形复杂的特点,引入面元法的思想将螺旋桨表面进行网格划分。将冰块处理为弹脆性材料并将其离散为物质点形式。冰桨接触海冰的破碎过程采用近场动力学方法模拟。为了反映冰桨接触的真实情况,提出了冰桨接触检测算法,用于冰物质点与螺旋桨接触的识别。推导了冰桨接触过程中的各方向力和力矩计算公式。结合近场动力学方法和冰桨接触检测算法,建立了冰桨接触数值求解方法,并自主开发了相应计算程序。冰桨铣削是对螺旋桨结构安全性威胁最大的工况。本文将冰桨铣削的实际情况进行了简化,建立了适用于冰桨铣削的计算模型,分析了不同螺旋桨网格划分方式和数目以及冰物质点间距对计算结果的影响,确保计算方法的收敛性,将计算结果与实验数据进行对比,验证方法的可行性。基于此,开展了冰桨铣削的动态过程的数值模拟,计算海冰破碎过程,瞬态冰载荷以及轴承力特性。基于冰桨接触数值计算方法,研究了不同的螺旋桨转向、冰块速度、冰块尺寸以及冰块形状下的冰桨碰撞动态特性,得出了冰块的运动及破碎特征和冰载荷的瞬态变化。研究表明:冰桨碰撞作用时间短,正方体冰模型与螺旋桨碰撞过程中会由于旋转作用而与桨叶发生两次碰撞,而球形冰只发生一次碰撞。考虑冰桨碰撞的实际情况,建立螺旋桨与多个冰块碰撞的数值计算模型,能够计入冰块与冰块之间、冰块与螺旋桨之间的相互作用。介绍了第二象限和第四象限冰桨碰撞计算模型,开展了特殊工况下的冰桨碰撞动态特性研究。考虑螺旋桨结构弹性变形特点,将近场动力学方法和有限元法耦合,提出了冰桨耦合的接触动力学计算方法,并自主开发了相应的计算程序。应用计算程序开展了冰桨铣削工况下的桨叶结构动力响应研究,计算了桨叶表面冰载压力、应力分布以及变形分布随时间的变化,计算结果表明:冰载压力主要集中在桨叶外半径的导边附近区域,在切入和切出冰块的时间段桨叶应力主要集中在接触位置处,而冰桨充分接触时间段内桨叶应力集中在叶根弦向位置中部。应用计算程序开展了冰桨碰撞工况下的桨叶结构动力响应研究,以圆球冰模型为例,计算冰块与桨叶的导边、随边以及叶梢碰撞过程中桨叶结构动力响应,发现冰块与桨叶边缘区域碰撞主要引起接触位置处桨叶的应力集中和局部变形。以IACS URI3冰级规范中有关冰区螺旋桨强度规范为基础,结合有限元法,开展了冰区螺旋桨静强度校核方法研究。首先,对冰载工况下的冰区桨强度计算方法进行了网格无关向分析和验证,开展了五个冰载工况下的桨叶应力分布和变形分布的预报,并进行了桨叶整体强度的校核。然后,提出集中冰载工况下桨叶边缘区域的强度计算方法。研究了不同加载位置下的桨叶应力和变形分布特点,并进行了桨叶边缘强度的校核。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U674.21
【部分图文】：

哈尔滨工程大学博士学位论文现出复杂的动态变化过程，为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，作用在螺旋桨上的接触冰载荷将会出现剧烈的波动并通过桨轴传到船舶尾部结构，导致船舶局部位置较大的机械振动、振裂构件。破冰船螺旋桨通常是裸露在船体外侧的，船舶在冰区航行时经常导致碎冰块下浸并沿着船体表面滑动，接近螺旋桨导致冰桨发生接触，从而在螺旋桨上产生极端载荷的作用，加之螺旋桨厚度较薄以及低温环境下表现出脆性，会导致桨叶的边缘区域和梢部出现损坏或变形[5]。图 1.1 给出了海冰的冲击下引起的桨叶受损和变形。

主要的物理性质包括晶体结构、密度、温度和盐度等，它的力学性拉和抗压强度、泊松比等[7]。相关资料表明，由于不同海域下海洋海冰的物理和力学特性也会有很大的不同[8]。因此，要掌握海冰对海冰的物理和力学特性有充分的了解。冰桨接触时的冰载荷大小与理力学性质及其破坏模式等有较大的关系。冰区螺旋桨强度的准确对冰桨接触动态特性及冰载荷的准确预报，而对于海冰物理力学特述工作可靠性的根本保证。因此，本节对海冰的物理力学特性及研后续的研究工作提供参考。（a）挤压破坏模式 （b）弯曲破坏模式

桨接触模式分析接触是用来描述冰作用于桨的专业术语[44]。这种干扰可以分为接触和了与冰桨接触问题有关的词，以便更好的理解下文。是指螺旋桨以任意形式与海冰发生接触；是指海冰与螺旋桨表面某些部分接触，例如叶面或者叶背。碰撞常发限；是指冰块和桨叶的导边和随边发生侵蚀下接触，例如第一和第三象限时，桨叶叶缘将把海冰铣削和刮掉；是由于海冰受到桨叶的挤压作用达到了破碎压力。海冰的部分粒子被是由于接触时出现了裂纹而导致的剥落；是桨叶将碎冰从冰块中剥落的过程；破坏经常与压碎破坏同时发生的。在某一方向上，若冰的剪切强度超，那么剪切破坏发生了。

本文编号：2808481