[發(fā)明專利]一種提高抗冰載荷能力的冰區(qū)船舶螺旋槳槳葉優(yōu)化方法

在審

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• 申請日: 2020-12-03
• 公開（公告）號: CN112874719A
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 傅江妍;陳曦;賀懿麗;朱江波;趙陽
• 申請（專利權(quán)）人: 中國艦船研究設(shè)計中心
• 主分類號: B63B71/10
• 分類號: B63B71/10;G06F30/15;G06F30/23;B63H1/26
• 代理公司: 上海航天局專利中心 31107
• 代理人: 許麗

本發(fā)明公開了一種提高抗冰載荷能力的冰區(qū)船舶螺旋槳槳葉優(yōu)化方法，其特點是：通過有限元方法模擬螺旋槳受冰載荷的大小和范圍，計算應(yīng)力分布情況，進(jìn)行極限強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析，迭代修正槳葉設(shè)計方案，在避免設(shè)計冗余，保證螺旋槳水動力性能的前提下提高槳葉抗冰載荷能力。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，研制周期短、人力物力投入下，技術(shù)風(fēng)險可控，對提高冰區(qū)船舶設(shè)計質(zhì)量和航行安全性有重要幫助。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及船舶推進(jìn)技術(shù)，特別屬于一種優(yōu)化螺旋槳槳葉優(yōu)化從而提高冰區(qū)船舶螺旋槳槳葉抗冰載荷能力的設(shè)計方法。

背景技術(shù)

螺旋槳工作時作用在槳葉上的流體動力有軸向的推力及與轉(zhuǎn)向相反的阻力，兩者都使槳葉產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)。螺旋槳在旋轉(zhuǎn)時槳葉本身的質(zhì)量產(chǎn)生徑向的離心力，使槳葉受到拉伸，若槳葉具有傾斜或縱斜，則離心力還要使槳葉產(chǎn)生彎曲；而船舶在冰區(qū)航行或在破冰過程中，螺旋槳槳葉還將受到冰塊載荷的作用力，冰塊可能會對槳葉的撞擊還可能會導(dǎo)致破冰船的螺旋槳產(chǎn)生扭曲、破裂甚至是槳軸斷裂現(xiàn)象。可見，冰區(qū)船舶螺旋槳槳葉承受的載荷較為復(fù)雜。

國內(nèi)外主要通過強(qiáng)度校核來判斷螺旋槳的承載能力是否滿足船舶安全航行。國內(nèi)常規(guī)螺旋槳多采用懸臂梁方法進(jìn)行強(qiáng)度校核，即把槳葉看作是扭曲的變截面的懸臂梁。冰區(qū)航行船舶螺旋槳的單位面積負(fù)荷功率往往較高，且由于冰載荷的存在，螺旋槳槳葉的強(qiáng)度校核方法與常規(guī)螺旋槳存在較大差別。國內(nèi)CCS有部分關(guān)于冰區(qū)航行船舶的一般規(guī)定，但沒有完整的關(guān)于螺旋槳強(qiáng)度檢驗方面的標(biāo)準(zhǔn)，國際相關(guān)規(guī)范體系僅對槳葉載荷受力類型有相關(guān)描述。從目前的相關(guān)研究文獻(xiàn)看，針對冰區(qū)螺旋槳抗冰載荷的研究主要是進(jìn)行強(qiáng)度校核且尚未形成完善的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，而通過槳葉優(yōu)化設(shè)計提高冰區(qū)螺旋槳抗冰載能力的方法研究較少。

因此，為保證冰區(qū)航行船舶的安全航行，必須在設(shè)計過程中考慮螺旋槳的抗冰載能力，提出相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計方法，使螺旋槳在冰區(qū)航行狀態(tài)下具有足夠的強(qiáng)度，不致破損或斷裂。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的是提供一種提高抗冰載荷能力的冰區(qū)船舶螺旋槳槳葉優(yōu)化方法。采用該方案可模擬冰區(qū)航行船舶可螺旋槳受冰塊撞擊時的受力情況，并進(jìn)行極限強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析，迭代修正槳葉設(shè)計參數(shù)，再進(jìn)行水動力性能評估，最終形成槳葉設(shè)計方案，為冰區(qū)船舶安全航行提供技術(shù)支撐。

本發(fā)明的一種提高抗冰載荷能力的冰區(qū)船舶螺旋槳槳葉優(yōu)化方法，主要步驟如下：第一步：根據(jù)螺旋槳冰級確定槳葉承受冰載荷的大小、區(qū)域和方向；

第二步：冰區(qū)航行船舶螺旋槳初步方案強(qiáng)度分析有限元網(wǎng)格劃分；

第三步：有限元強(qiáng)度計算分析；

第四步：螺旋槳槳葉優(yōu)化設(shè)計；

第五步：對修改后的槳葉方案進(jìn)行有限元計算分析，若方案不能同時滿足極限強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度衡準(zhǔn)，或滿足要求但結(jié)果冗余度較大，則根據(jù)第五步的方法繼續(xù)對進(jìn)行迭代修改，直到得到滿足第三步中的強(qiáng)度衡準(zhǔn)；

第六步，采用CFD數(shù)值仿真或模型試驗等手段，對迭代修改后的槳葉進(jìn)行敞水性能評估，驗證其是否滿足船舶在開敞水域的快速性要求；

第七步，確定最終槳葉優(yōu)化方法，繪制槳葉圖。

優(yōu)選的，第一步：根據(jù)螺旋槳冰級確定槳葉承受冰載荷的大小、區(qū)域和方向。根據(jù)螺旋槳冰級及設(shè)計參數(shù)確定冰載荷大小，吸力面冰載荷大小為：

壓力面冰載荷大小為：

其中，S_ice、H_ice為根據(jù)PC級確定的系數(shù)；

n為螺旋槳冰區(qū)航行最大轉(zhuǎn)速(MCR)，單位rps；

D為槳葉直徑，單位m；

d為槳轂直徑，單位m；