大侧斜螺旋桨桨叶应力分析

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1、50卷第4期(总第188期)李坚波，等：大侧斜螺旋桨桨叶应力分析150卷第4期（总第188期）中国造船Vol.50No.4(SerialNo.188)2009年12月SHIPBUILDINGOFCHINADec.2009文章编号：1000-4882(2009)04-0001-06大侧斜螺旋桨桨叶应力分析李坚波，王永生，孙存楼（海军工程大学船舶与动力学院,湖北武汉430033）摘要采用求解RANS方程的方法对某大侧斜螺旋桨敞水流场进行模拟，计算得到的推力系数与力矩系数与试验值有很好的一致性。在此基础上，将计算得到的桨叶水动力载荷、离心力载荷和重

2、力载荷导入有限元模型，求解大侧斜螺旋桨桨叶应力场分布。根据应力场分布特点，可知：桨叶除叶根有应力集中区域外，0.5倍半径靠近随边处还存在应力集中区域；在0.5倍半径桨叶切面处，桨叶压力面应力从导边至随边递增,桨叶吸力面应力从导边至随边存在波动。关键词：船舶、舰船工程；大侧斜螺旋桨；计算流体力学；应力；有限元中图分类号：U664.33文献标识码：A0引言由于大侧斜螺旋桨特殊的几何外形，工作时桨叶各半径切面不同时进入高伴流区，这样便能减小[1]螺旋桨引起的不稳定轴承力、降低由螺旋桨引起的脉动压力并改善螺旋桨空泡性能。同时，特殊的[2]几何外形也使

3、大侧斜螺旋桨强度特性复杂化，桨叶强度校核成为大侧斜螺旋桨设计的关键之一。文献[3]从设计的角度论述了大侧斜螺旋桨的强度计算、校核以及提高强度的措施，指出经典的悬臂梁方法不能准确地预报大侧斜螺旋桨的强度。目前对大侧斜螺旋桨的强度研究一般采用模型试验和有限元[4]方法。采用有限元法的关键是确定桨叶的水动力载荷分布。文献[5]采用集中静载荷代替螺旋桨工作时所受的水动力载荷，虽然简化了问题，但不能真实模拟桨叶在流场中的实际载荷。本文基于CFD（computationalfluiddynamic）计算结果对某大侧斜螺旋桨工作时桨叶的应力场进行了有限元分

4、析。即：首先用CFD方法确定大侧斜螺旋桨工作时桨叶水动力载荷，然后将其作为边界条件导入桨叶有限元模型求解桨叶应力场分布。最后分析大侧斜螺旋桨桨叶应力场分布的特点。1敞水性能的数值计算利用基于有限体积法的计算流体力学程序来求解RANS方程。选用SSTκ−ω湍流模型，利用控制方程和相应的边界条件求解螺旋桨三维粘性不可压湍流流场。1.1数值计算区域的确定和网格划分利用CAD软件CATIA建立螺旋桨几何模型。为了模拟敞水试验时螺旋桨周围的流场，数值计算收稿日期：2008-04-29;修改稿收稿日期：2008-07-162中国造船学术论文时需要确定一个

5、大小合适的流场控制体。本文采用一个与螺旋桨同轴线的圆柱形流场区域作为控制体。[6]进流面取上游3D处，出流面取下游5D处，直径取5D，D为螺旋桨直径。流场区域分两部分进行网格划分，在螺旋桨周围取一个同轴的内圆柱体作为旋转区域，以模拟螺旋桨工作时周围流体的旋转。其径向取1.2D，经计算可知径向取1.2~1.5D计算结果无明显差别。流场控制体其它区域为静止区域。螺旋桨附近流场区域采用非结构化网格，对桨叶的导边与随边等流动变化剧烈、对数值计算结果影响大的区域进行网格加密，如图1所示。在桨叶表面加10层边界层网格，+使桨叶数值计算y值控制在120以内

6、。圆柱形流场区域采用结构化网格，并在靠近螺旋桨附近区域网格进行加密。图1桨叶表面CFD网格图2计算域边界条件设置1.2边界条件和数值计算方法圆柱形区域的进流边界设为速度进口，出流边界设为压力出口，圆柱外边界设为开放界面，桨叶和桨毂设为无滑移壁面，相对螺旋桨附近旋转区域静止，如图2所示。选用SSTκ−ω湍流模型来封闭不可压粘性流体控制方程。采用稳态多参考系方法进行计算。1.3敞水性能预报对该大侧斜螺旋桨设计工况和非设计工况粘性流场进行了数值模拟，得到螺旋桨推力和力矩值，转化为推力系数和力矩系数后与敞水试验值进行了比较。其中设计工况推力系数、力矩

7、系数与试验结果相比，误差分别为1.1%和3.4%。数值计算得到的推力、力矩系数与试验值在进速系数的很大范围内吻合良好。敞水试验结果只能验证数值计算积分量（推力与扭矩）的准确与否，为了验证该数值计0.3CFD计算值0.25试验值0.20.150.10.05-Cp0-0.05-0.1-0.15-0.200.10.20.30.40.50.60.70.80.91X/L图3叶表压力系数对比50卷第4期(总第188期)李坚波，等：大侧斜螺旋桨桨叶应力分析3算方法对数值计算的分布量的可信性，本文以22ndITTCPropulsionCommittee所提供

8、的DTMBP4119桨为算例,对其桨叶周围的压力场进行数值模拟。螺旋桨的几何形状及尺度为:叶片数Z=3叶,螺旋桨直[7]径d=304.8mm,旋转速度n=600r/