基于数值方法的船用轻质螺旋桨设计

论文摘要

通常,船用螺旋桨大多由青铜合金制成。这种材料具有硬度大,屈服强度高,弯曲变形小等优点；但同时也存在很多问题,如：桨叶易出现诱发疲劳裂纹,空泡腐蚀现象严重,吸振性能差,重量大而降低燃料的使用效率等。近年来,随着新材料的不断发展,为设计者设计轻质螺旋桨提供了全新的契机,例如：铝合金材质的比重小,抗腐蚀性强,焊接性能好,易加工和成形,无低温脆性等。本文通过升力面方法和有限元方法的结合使用,对螺旋桨的性能和强度进行了有效的计算分析。首先,基于升力面法对螺旋桨的水动力性能计算验证,并将求解出的压力载荷作为有限元强度分析的载荷边界对桨叶的强度进行计算校核；然后,计算分析了改变桨叶厚度对螺旋桨性能和强度的影响；综合考虑后,得到满足原设计要求的轻质铝合金桨和碳纤维复合材料桨。在螺旋桨水动力性能计算方面,本文主要以某46m半滑行船的实桨为例,通过对计算值和设计值的比较,吻合较好,敞水性能系数(推力系数和扭矩系数)的相对误差均在6%以内。此外,增厚桨叶使敞水性能系数不同程度地略有减小,使空泡性能有所改善；减薄桨叶使敞水性能系数不同程度地略有增大,但使空泡性能恶化。在强度计算方面,本文选用了两只直径大小不同的螺旋桨作为算例桨。经过计算分析得知,不论直径大或小,青铜桨的桨叶增厚30%即可使其所受的应力降低到铝合金材质的许用应力范围内。最后通过计算分析,得到了满足原设计要求的铝合金桨和碳纤维复合材料桨。对其重量计算后得知,铝合金桨较青铜桨减重158.3kg,减重比达59.2%；碳纤维复合材料桨较青铜桨减重207kg,减重比达77.4%。由此可见,实现了螺旋桨轻量化的目的,同时也为轻质螺旋桨的设计提供一种参考方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 船用螺旋桨发展现状
• 1.2.1 螺旋桨轻质材料的发展
• 1.2.2 螺旋桨设计方法的发展
• 1.3 本文的主要研究内容及目标
• 2 基于升力面法的螺旋桨水动力性能分析
• 2.1 螺旋桨几何形状的数学表达
• 2.2 螺旋桨定常敞水性能分析
• 2.2.1 定常敞水性能的边值问题
• 2.2.2 奇点系和尾涡模型
• 2.2.3 桨叶物面条件和环量求解
• 2.2.4 敞水性能计算
• 2.3 螺旋桨非定常空泡性能分析
• 2.3.1 库塔条件的处理
• 2.3.2 桨叶表面非定常压力分布
• 2.3.3 非定常空泡性能的边值问题
• 2.4 螺旋桨水动力性能计算
• 2.4.1 不同网格对性能预报的影响
• 2.4.2 敞水性能预报结果分析
• 2.4.3 空泡性能预报结果分析
• 2.5 本章小结
• 3 基于有限元法的螺旋桨桨叶强度分析
• 3.1 有限元法基本理论
• 3.1.1 基本思想
• 3.1.2 基本方法与步骤
• 3.2 螺旋桨桨叶强度计算分析
• 3.2.1 桨叶外载荷研究
• 3.2.2 桨叶有限元模型建立
• 3.2.3 加载求解
• 3.2.4 结果分析
• 3.3 本章小结
• 4 铝合金桨的性能及强度分析设计
• 4.1 桨叶厚度修改
• 4.2 铝合金桨的水动力性能分析
• 4.3 铝合金桨的强度分析
• 4.4 铝合金桨的重量及惯性矩计算
• 4.5 本章小结
• 5 碳纤维复合材料桨的性能及强度分析设计
• 5.1 桨叶厚度修改
• 5.2 碳纤维复合材料桨的水动力性能分析
• 5.3 碳纤维复合材料桨的强度分析
• 5.4 碳纤维复合材料桨的重量及惯性矩计算
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢