基于數(shù)值方法的船用鋁合金螺旋槳性能和強(qiáng)度分析

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(1.大連理工大學(xué) 運(yùn)載工程與力學(xué)學(xué)部，遼寧 大連 116023;2.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023)

通常，海上船舶推進(jìn)系統(tǒng)中的螺旋槳大多由青銅合金制成。這種材料具有硬度大，屈服強(qiáng)度高，彎曲變形小等優(yōu)點(diǎn)；但同時(shí)也存在很多問題，如槳葉易出現(xiàn)誘發(fā)疲勞裂紋，空泡腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，吸振性能差，重量大而降低燃料的使用效率等。近年來，隨著新材料的不斷發(fā)展，為設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)輕質(zhì)螺旋槳提供了全新的契機(jī)，例如，鋁合金材質(zhì)相對(duì)密度小，抗腐蝕性能好，加工成形好，焊接性能好，無低溫脆性等。

本文以某46 m半滑行船的青銅質(zhì)實(shí)槳為例，先運(yùn)用升力面法和有限元法計(jì)算其水動(dòng)力性能和槳葉強(qiáng)度，驗(yàn)證其計(jì)算精度。以此青銅槳為母型槳，對(duì)槳葉厚度做適當(dāng)修改以滿足鋁合金材質(zhì)的強(qiáng)度要求。

1 基于升力面法的水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)

1.1 升力面理論簡(jiǎn)介

升力面法本質(zhì)是用一系列離散的源匯、渦或偶極子等奇點(diǎn)組合來模擬流動(dòng)現(xiàn)象。運(yùn)用升力面法預(yù)估螺旋槳敞水性能，假定繞流槳葉的流體無黏、不可壓縮。螺旋槳槳葉以離散的渦格和線源元素代替后，相應(yīng)的尾渦也以離散形式給出，在槳葉拱弧面上各控制點(diǎn)滿足不可穿透條件。

作用在螺旋槳葉上的勢(shì)流力分為庫塔-茹可夫斯基力合拉格雷力。前者由展向及弦向渦產(chǎn)生，后者由離散線源產(chǎn)生。這些力的計(jì)算是在每個(gè)線渦和線源元素上進(jìn)行的，在每個(gè)展向及弦向元素的中點(diǎn)(稱負(fù)荷點(diǎn))計(jì)算其總的流動(dòng)速度，作為該段元素上總流動(dòng)速度的平均值，它不包括本身奇點(diǎn)所引起的誘導(dǎo)速度。

類似地，可以計(jì)算出各個(gè)負(fù)荷點(diǎn)上的壓力，再由插值得到其它任意點(diǎn)處的壓力。具體計(jì)算方法請(qǐng)參見文獻(xiàn)[1]。

1.2 敞水性能預(yù)報(bào)結(jié)果

青銅質(zhì)算例槳為某46 m半滑行船的實(shí)際設(shè)計(jì)槳，經(jīng)使用后，性能良好。其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為直徑1 280 mm，葉數(shù)5，螺距比1.278，盤面比1.05，轂徑比0.167，艉傾3.5°，典型的營(yíng)運(yùn)狀態(tài)下轉(zhuǎn)速為11 r/s，航速13.3 m/s。其敞水性能設(shè)計(jì)值由試驗(yàn)圖譜[2]插值獲得。基于升力面法計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)值對(duì)比見圖1。

圖1 青銅槳敞水性征曲線比較

由圖1中計(jì)算值與設(shè)計(jì)值相比可知，推力系數(shù)kt和轉(zhuǎn)矩系數(shù)kq的偏差均在6%以內(nèi)，并且隨著進(jìn)速增大到設(shè)計(jì)槳典型營(yíng)運(yùn)狀態(tài)的進(jìn)速0.9左右時(shí)趨于吻合。由此可知，基于升力面法的螺旋槳敞水性能預(yù)報(bào)結(jié)果可靠，且滿足工程精度要求。

2 槳葉應(yīng)力分析

2.1 槳葉強(qiáng)度的有限元法分析

將槳葉視為不規(guī)則的曲面體單元。單元?jiǎng)澐謴臉~根部開始沿徑向在如下位置作圓弧線剖分：0.2R、0.3R、0.4R、0.5R、0.6R、0.7R、0.8R、0.9R、0.95R、0.975R,然后把每一剖面分成20等份，這樣共有180個(gè)單元，邊界處理，把0.2R處的整個(gè)剖面全約束。

運(yùn)用ANSYS程序自底向上構(gòu)造槳葉有限元模型。先定義關(guān)鍵點(diǎn)，再利用這些關(guān)鍵點(diǎn)定義幾何體單元。

根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)定義單元類型，選取結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，采用SOLID95進(jìn)行單元?jiǎng)澐帧?/p>

定義材料特性，取銅合金來進(jìn)行計(jì)算，其材料性能見表1[3]。

表1 螺旋槳材料機(jī)械性能

采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分功能劃分網(wǎng)格，對(duì)槳葉導(dǎo)邊和隨邊處適當(dāng)加密網(wǎng)格?；谏γ娣ㄓ?jì)算得到的壓力荷載分別作用于關(guān)鍵點(diǎn)上進(jìn)行求解。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

葉面和葉背的最大應(yīng)力沿半徑方向的分布見圖2。

圖2 青銅槳徑向最大應(yīng)力分布

由圖2可知，槳葉葉面、葉背最大應(yīng)力沿徑向逐漸減小，在槳葉(0.2～0.5)R區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力值較大，且最大值為70.2 MPa。計(jì)算得知，槳葉最大應(yīng)變位移為3 mm，發(fā)生在葉梢部。

3 性能和強(qiáng)度分析

在螺旋槳設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)的圖譜法只能針對(duì)某幾種青銅材質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而對(duì)于其它輕質(zhì)材料沒有直接設(shè)計(jì)方法。本文先將前文中的青銅算例槳作為母型槳，對(duì)其槳葉適當(dāng)增厚，以滿足鋁合金材質(zhì)的強(qiáng)度要求，并保證在修改后螺旋槳的水動(dòng)力性能與原青銅槳的相同的前提下，校核槳葉強(qiáng)度，從而得到性能相同的鋁合金槳。

經(jīng)計(jì)算得知，將母型槳槳葉增厚30%來設(shè)計(jì)即可得到滿足設(shè)計(jì)要求的鋁合金材料槳。本文只討論槳葉增厚30%的情況。

3.1 槳葉厚度修改

圖3 葉切面厚度修改示例

3.2 水動(dòng)力性能對(duì)比

水動(dòng)力性能對(duì)比主要包括敞水性能和空泡性能的對(duì)比。將修改后的鋁合金槳與母型槳的性能比較如下。

3.2.1 敞水性能對(duì)比

按照前面所述方法，對(duì)厚度修改后的螺旋槳(即鋁合金槳)的敞水性能計(jì)算結(jié)果與原青銅槳的相比較，結(jié)果見圖4。

圖4 鋁合金槳和母型槳的敞水性能對(duì)比

由圖4可知，槳葉增厚前后的敞水性變化甚微，可以認(rèn)為在此增厚方法和增厚范圍內(nèi)，該鋁合金槳的敞水性能仍然與母型槳的相同，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2.2 空泡性能對(duì)比

對(duì)鋁合金槳和母型槳的空化性能計(jì)算結(jié)果對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，厚度在一定范圍內(nèi)增厚并不會(huì)對(duì)空化性能產(chǎn)生不利影響，反而稍有改善。本文列出槳葉在易發(fā)生空化的0°(正上方)和30°兩個(gè)位置時(shí)的空化對(duì)比結(jié)果，分別見圖5和圖6?？栈俜直缺硎灸嘲霃角忻嫣幙栈L(zhǎng)度占該切面弦長(zhǎng)的百分比。

圖5 鋁合金槳和母型槳槳葉0°位置時(shí)空化性能對(duì)比

圖6 鋁合金槳和母型槳槳葉30°位置時(shí)空化性能對(duì)比

由此可知，鋁合金槳空化值較母型槳并沒有發(fā)生不良變化，反而稍微有所改善，故其空化性能也是滿足設(shè)計(jì)要求的。

3.3 應(yīng)力、應(yīng)變分析及強(qiáng)度校核

同樣運(yùn)用有限元法對(duì)鋁合金槳做應(yīng)力、應(yīng)變分析，結(jié)果見圖7。

圖7 鋁合金槳徑向最大應(yīng)力分布

由圖7可知，鋁合金槳最大應(yīng)力值沿徑向分布與母型槳類似，且最大值為42 MPa。而從表1可知，鋁合金材質(zhì)的極限強(qiáng)度為390 MPa，按照文獻(xiàn)[3]中設(shè)計(jì)規(guī)范取安全系數(shù)為8，許用應(yīng)力為48.7 MPa，所以鋁合金槳的強(qiáng)度也滿足要求。

另一方面，計(jì)算可知鋁合金槳的最大變形位移為2.4 mm，原青銅質(zhì)母型槳計(jì)算最大變形位移為3.0 mm，由此可知鋁合金槳的變形位移也滿足要求。

3.4 槳重變化

參照表1中材料重量密度，計(jì)算得到原青銅槳重量為267.4 kg，鋁合金槳重為109.1 kg，減重158.3 kg，減重比達(dá)59.2%。

4 結(jié)論

1)基于升力面法對(duì)某實(shí)用槳進(jìn)行敞水性能預(yù)報(bào)，通過與設(shè)計(jì)值比較，推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)偏差均在6%以內(nèi)，說明此方法對(duì)螺旋槳敞水性能預(yù)報(bào)能夠達(dá)到工程應(yīng)用所要求的精度。

2)通過計(jì)算得到槳葉表面壓力荷載，對(duì)槳葉基于有限元法進(jìn)行應(yīng)力分析。這樣得到的應(yīng)力、應(yīng)變分析結(jié)果更加準(zhǔn)確、直觀，使槳葉的強(qiáng)度校核更加合理。

3)通過對(duì)比槳葉厚度改變前后空泡性能的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)增加槳葉厚度，其空泡性能并沒有惡化，反而稍有改善。

4)將青銅質(zhì)母型槳槳葉增厚30%來設(shè)計(jì)，即可得到滿足原設(shè)計(jì)要求的輕質(zhì)鋁合金材料槳，其

重量較母型槳減輕59.2%。同時(shí)也為設(shè)計(jì)輕質(zhì)螺旋槳提供一種參考方法。

[1] 王國(guó)強(qiáng)，董世湯.船舶螺旋槳理論與應(yīng)用[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社,2007.

[2] 江樹勇.工程材料[M].北京:高等教育出版社,2010.

[3] 盛振邦，劉應(yīng)中.船舶原理[M].下冊(cè).上海:上海交通大學(xué)出版社,2004.