[發明專利]一種冰槳接觸過程中槳葉表面瞬時冰載壓力分布計算方法

有效

• 申請號: 201811601968.4
• 申請日: 2018-12-26
• 公開（公告）號: CN109800472B
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發明（設計）人: 葉禮裕;郭春雨;王超;韓康;汪春輝;徐佩;熊偉鵬;張媛
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F111/10;G06F119/14
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一種冰槳接觸過程中槳葉表面瞬時冰載壓力分布計算方法，屬于極地航行船舶冰區槳載荷預報領域。本發明首先通過讀入螺旋槳的型值參數，建立螺旋槳幾何模型，并對螺旋槳表面進行網格劃分；然后，將冰場實體結構離散成一系列冰物質點，并初始化所有冰物質點密度、體積、速度、加速度；根據螺旋槳和冰塊之間的位置關系，形成冰槳接觸計算模型；實施冰槳接觸檢測方法，確定出每一個物質點與螺旋槳表面哪個面元發生接觸，獲得當前時刻槳葉表面冰載壓力分布；應用近場動力學方法計算出當前時刻海冰粒子的破碎情況；進行下一個時間步的冰槳接觸區域識別和海冰破碎計算，直到到達最大時間步結束計算。本發明具有實施程序簡便、計算效率高等優點。

技術領域

本發明屬于極地航行船舶冰區槳載荷預報領域，特別是一種冰槳接觸過程中槳葉表面瞬時冰載壓力分布的預報及海冰破碎過程數值模擬的計算方法。

背景技術

當破冰船航行于有冰海域，特別是破冰狀態下航行時，海冰對船體結構、推進系統和舵系等有較大的危害。尤其，螺旋槳作為破冰船動力核心部分，其設計和研究需要得到更多關注。由于螺旋槳通常是裸露于船體外側且槳葉葉梢的速度非?？?，加上海冰材料物理和力學性質的復雜多變以及冰槳槳作用方式的隨機性，使得冰槳相互作用呈現出復雜的動態變化過程，給冰區槳的安全運轉帶來了巨大的挑戰。而且，在船舶實際運行過程中，一旦冰槳發生接觸，將會有極端冰載荷作用在槳葉上。在冰槳接觸工況下螺旋槳冰載荷要比其水動力載荷大一個數量級以上。加上螺旋槳厚度較薄以及低溫環境下表現出脆性，在這樣載荷作用下易導致槳葉出現損壞或變形。相關研究表明，直接作用于槳葉表面的冰載荷壓力分布決定著槳葉變形和損壞情況。由此可見，建立一種可靠的冰槳接觸槳葉表面瞬時冰載壓力分布計算方法對于冰區槳的設計強度評估和設計是非常重要的。

國內外學者已對冰槳接觸應用理論分析、數值預報以及模型實驗等開展研究。自上個世紀六十年國外學者就開始在車床、拖曳水池以及循環水槽中開展冰槳接觸冰載荷試驗研究。但是由于冰槳接觸實驗實施難度大，一直以來進展緩慢，目前還無法測量槳葉表面承受的冰載荷，也無法開展實船冰槳接觸實驗。隨著冰槳接觸實驗的開展，人們逐漸掌握冰槳接觸時的作用關系及其機理，這為冰槳接觸理論研究提供了可能。于是，一些學者在總結冰槳接觸試驗規律和機理的基礎上，通過對冰槳接觸的模型和作用過程以及冰的破壞模式進行簡化，先后建立了多種冰槳接觸模型，用于預報冰槳接觸下的冰載荷。這些理論模型比較理想化，只適用于特定工況下常規推進器的冰載荷的預報，而由于冰槳作用過程的隨機性、冰塊形狀的多變性且材料的復雜多變性等，將增加冰載荷預報問題的復雜度。雖然人們對冰槳接觸過程進行了大量的理論和實驗研究工作，但是由于冰槳接觸過程和海冰的破壞機理十分復雜，加上海冰本身的物理和力學特殊性，國內外對冰槳接觸預報方法研究的整體水平仍然不高，迫切的需要建立一種新的理論和數值預報方法。近場動力學在模擬海冰等材料大尺度變形以及斷裂問題上有明顯的優勢，是開展冰槳接觸問題研究非?？尚械臄抵殿A報方法。

本發明便是在近場動力學方法的框架下，考慮冰槳接觸問題的實際情況，建立一種冰槳接觸槳葉表面瞬時冰載壓力分布計算方法。較為通用的是利用FORTRAN語言自編程序實現，當然也可采用其他高級語言實現。采用近場動力學方法解決冰槳接觸槳葉表面瞬時冰載壓力分布計算問題，海冰采用的是近場動力學模型，將船體表面考慮成剛性固體且不發生變形，并采用接觸檢測理論識別冰船接觸位置，可形象模擬冰槳接觸過程中海冰破碎過程，并計算槳葉瞬時冰載壓力分布，對開展保證冰區槳強度的可靠性和指導設計有重要意義。

發明內容

本發明的目的在于建立一種冰槳接觸過程中槳葉表面瞬時冰載壓力分布計算方法，不僅能夠計算冰槳接觸過程中槳葉表面瞬時冰載壓力分布，還可形象模擬出海冰的動態破碎過程。

本發明的目的是這樣實現的：

一種冰槳接觸過程中槳葉表面瞬時冰載壓力分布計算方法，包括以下步驟：

(1)確定冰槳接觸計算工況，包括螺旋槳轉速，冰塊的物理和力學參數、尺度，冰塊的運動速度；