破冰船是各國(guó)實(shí)施極地戰(zhàn)略必不可少的交通工具,其研發(fā)和建造近年來(lái)得到了越來(lái)越多研究者的關(guān)注。破冰船在有冰海域航行時(shí),海冰將隨著船體運(yùn)動(dòng)靠近螺旋槳,并與螺旋槳發(fā)生阻塞、碰撞、銑削、排擠等相互作用。特別是在冰槳銑削和碰撞等接觸工況下,非常容易引起螺旋槳極端冰載荷作用。通常,冰槳相互作用下的冰載荷比水動(dòng)力載荷要大一個(gè)量級(jí)以上,如此大的冰載荷作用在槳葉上,會(huì)引起槳葉的變形和損壞,加上冰載荷具有劇烈脈動(dòng)的特性,將通過(guò)軸系傳遞到船體,引進(jìn)船體結(jié)構(gòu)的局部損壞。因此,開(kāi)展冰槳接觸動(dòng)態(tài)特性及槳的強(qiáng)度預(yù)報(bào)方法研究是冰區(qū)槳研究的重中之重,對(duì)確保破冰船在極地環(huán)境下的安全航行有著重要的意義。在以往的研究中,研究者更多的精力放在了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究上,而對(duì)冰槳數(shù)值計(jì)算方法的開(kāi)發(fā)研究的不多。由于冰槳接觸實(shí)驗(yàn)的實(shí)施有較大難度,冰區(qū)槳的許多實(shí)際工況無(wú)法用實(shí)驗(yàn)開(kāi)展研究,冰槳接觸的許多現(xiàn)象和本質(zhì)都沒(méi)有被揭示。而數(shù)值方法可以克服這些缺點(diǎn),模擬出實(shí)驗(yàn)無(wú)法實(shí)施的冰槳接觸工況。為此,本文將冰槳接觸動(dòng)態(tài)特性的數(shù)值計(jì)算方法,掌握冰槳接觸作用規(guī)律和機(jī)理,形成冰區(qū)螺旋槳槳葉強(qiáng)度分析步驟,為冰區(qū)螺旋槳的設(shè)計(jì)提供支撐。本文在緒論部分綜述了海冰研究、冰槳接觸研究以及冰區(qū)槳強(qiáng)度研究的進(jìn)展。從海冰研究進(jìn)展綜述分析中發(fā)現(xiàn),近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)方法能夠很好地模擬材料的大尺度變形和斷裂,非常適用于對(duì)海冰破碎過(guò)程的模擬。從理論預(yù)報(bào)、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究三個(gè)方面對(duì)冰槳接觸研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述,認(rèn)為目前冰槳接觸數(shù)值預(yù)報(bào)方法研究還處于起步階段,仍然有許多問(wèn)題需要解決。對(duì)冰區(qū)槳強(qiáng)度研究綜述,認(rèn)為雖然已有學(xué)者開(kāi)展研究,但是研究手段比較有限。近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)方法是本文研究冰槳接觸動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)。在論文的第二部分對(duì)近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行了系統(tǒng)的推導(dǎo),并從運(yùn)動(dòng)方程離散、粒子搜索算法、計(jì)算修正以及邊界處理等方面介紹了近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)的數(shù)值求解方法。討論了海冰的力學(xué)性質(zhì),分析海冰在受到不同拉伸和壓縮載荷作用下表現(xiàn)出來(lái)的復(fù)雜的力學(xué)特征。針對(duì)冰塊在沖擊載荷作用下的破碎特點(diǎn),總結(jié)推導(dǎo)了適用于冰破碎問(wèn)題模擬的材料破壞準(zhǔn)則和冰載荷計(jì)算方法,并發(fā)展了基于近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)方法的冰沖擊問(wèn)題的數(shù)值求解模型,自主開(kāi)發(fā)相應(yīng)的計(jì)算程序。為了驗(yàn)證近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)方法在模擬海冰破碎問(wèn)題的可行性,以球形冰沖擊問(wèn)題和柱形冰沖擊問(wèn)題為例,分析了不同物質(zhì)點(diǎn)的間距對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,確保了計(jì)算方法的穩(wěn)定性;將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)照片進(jìn)行對(duì)比�？紤]螺旋槳幾何外形復(fù)雜的特點(diǎn),引入面元法的思想將螺旋槳表面進(jìn)行網(wǎng)格劃分。將冰塊處理為彈脆性材料并將其離散為物質(zhì)點(diǎn)形式。冰槳接觸海冰的破碎過(guò)程采用近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)方法模擬。為了反映冰槳接觸的真實(shí)情況,提出了冰槳接觸檢測(cè)算法,用于冰物質(zhì)點(diǎn)與螺旋槳接觸的識(shí)別。推導(dǎo)了冰槳接觸過(guò)程中的各方向力和力矩計(jì)算公式。結(jié)合近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)方法和冰槳接觸檢測(cè)算法,建立了冰槳接觸數(shù)值求解方法,并自主開(kāi)發(fā)了相應(yīng)計(jì)算程序。冰槳銑削是對(duì)螺旋槳結(jié)構(gòu)安全性威脅最大的工況。本文將冰槳銑削的實(shí)際情況進(jìn)行了簡(jiǎn)化,建立了適用于冰槳銑削的計(jì)算模型,分析了不同螺旋槳網(wǎng)格劃分方式和數(shù)目以及冰物質(zhì)點(diǎn)間距對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,確保計(jì)算方法的收斂性,將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證方法的可行性�；诖�,開(kāi)展了冰槳銑削的動(dòng)態(tài)過(guò)程的數(shù)值模擬,計(jì)算海冰破碎過(guò)程,瞬態(tài)冰載荷以及軸承力特性。基于冰槳接觸數(shù)值計(jì)算方法,研究了不同的螺旋槳轉(zhuǎn)向、冰塊速度、冰塊尺寸以及冰塊形狀下的冰槳碰撞動(dòng)態(tài)特性,得出了冰塊的運(yùn)動(dòng)及破碎特征和冰載荷的瞬態(tài)變化。研究表明:冰槳碰撞作用時(shí)間短,正方體冰模型與螺旋槳碰撞過(guò)程中會(huì)由于旋轉(zhuǎn)作用而與槳葉發(fā)生兩次碰撞,而球形冰只發(fā)生一次碰撞�？紤]冰槳碰撞的實(shí)際情況,建立螺旋槳與多個(gè)冰塊碰撞的數(shù)值計(jì)算模型,能夠計(jì)入冰塊與冰塊之間、冰塊與螺旋槳之間的相互作用。介紹了第二象限和第四象限冰槳碰撞計(jì)算模型,開(kāi)展了特殊工況下的冰槳碰撞動(dòng)態(tài)特性研究。考慮螺旋槳結(jié)構(gòu)彈性變形特點(diǎn),將近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)方法和有限元法耦合,提出了冰槳耦合的接觸動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法,并自主開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算程序。應(yīng)用計(jì)算程序開(kāi)展了冰槳銑削工況下的槳葉結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)研究,計(jì)算了槳葉表面冰載壓力、應(yīng)力分布以及變形分布隨時(shí)間的變化,計(jì)算結(jié)果表明:冰載壓力主要集中在槳葉外半徑的導(dǎo)邊附近區(qū)域,在切入和切出冰塊的時(shí)間段槳葉應(yīng)力主要集中在接觸位置處,而冰槳充分接觸時(shí)間段內(nèi)槳葉應(yīng)力集中在葉根弦向位置中部。應(yīng)用計(jì)算程序開(kāi)展了冰槳碰撞工況下的槳葉結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)研究,以圓球冰模型為例,計(jì)算冰塊與槳葉的導(dǎo)邊、隨邊以及葉梢碰撞過(guò)程中槳葉結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng),發(fā)現(xiàn)冰塊與槳葉邊緣區(qū)域碰撞主要引起接觸位置處槳葉的應(yīng)力集中和局部變形。以IACS URI3冰級(jí)規(guī)范中有關(guān)冰區(qū)螺旋槳強(qiáng)度規(guī)范為基礎(chǔ),結(jié)合有限元法,開(kāi)展了冰區(qū)螺旋槳靜強(qiáng)度校核方法研究。首先,對(duì)冰載工況下的冰區(qū)槳強(qiáng)度計(jì)算方法進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)向分析和驗(yàn)證,開(kāi)展了五個(gè)冰載工況下的槳葉應(yīng)力分布和變形分布的預(yù)報(bào),并進(jìn)行了槳葉整體強(qiáng)度的校核。然后,提出集中冰載工況下槳葉邊緣區(qū)域的強(qiáng)度計(jì)算方法。研究了不同加載位置下的槳葉應(yīng)力和變形分布特點(diǎn),并進(jìn)行了槳葉邊緣強(qiáng)度的校核。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：U674.21
【部分圖文】：

哈爾濱工程大學(xué)博士學(xué)位論文現(xiàn)出復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，為冰區(qū)槳的安全運(yùn)轉(zhuǎn)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。而且，在船舶實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，一旦冰槳發(fā)生接觸，作用在螺旋槳上的接觸冰載荷將會(huì)出現(xiàn)劇烈的波動(dòng)并通過(guò)槳軸傳到船舶尾部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致船舶局部位置較大的機(jī)械振動(dòng)、振裂構(gòu)件。破冰船螺旋槳通常是裸露在船體外側(cè)的，船舶在冰區(qū)航行時(shí)經(jīng)常導(dǎo)致碎冰塊下浸并沿著船體表面滑動(dòng)，接近螺旋槳導(dǎo)致冰槳發(fā)生接觸，從而在螺旋槳上產(chǎn)生極端載荷的作用，加之螺旋槳厚度較薄以及低溫環(huán)境下表現(xiàn)出脆性，會(huì)導(dǎo)致槳葉的邊緣區(qū)域和梢部出現(xiàn)損壞或變形[5]。圖 1.1 給出了海冰的沖擊下引起的槳葉受損和變形。

主要的物理性質(zhì)包括晶體結(jié)構(gòu)、密度、溫度和鹽度等，它的力學(xué)性拉和抗壓強(qiáng)度、泊松比等[7]。相關(guān)資料表明，由于不同海域下海洋海冰的物理和力學(xué)特性也會(huì)有很大的不同[8]。因此，要掌握海冰對(duì)海冰的物理和力學(xué)特性有充分的了解。冰槳接觸時(shí)的冰載荷大小與理力學(xué)性質(zhì)及其破壞模式等有較大的關(guān)系。冰區(qū)螺旋槳強(qiáng)度的準(zhǔn)確對(duì)冰槳接觸動(dòng)態(tài)特性及冰載荷的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，而對(duì)于海冰物理力學(xué)特述工作可靠性的根本保證。因此，本節(jié)對(duì)海冰的物理力學(xué)特性及研后續(xù)的研究工作提供參考。（a）擠壓破壞模式 （b）彎曲破壞模式

槳接觸模式分析接觸是用來(lái)描述冰作用于槳的專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)[44]。這種干擾可以分為接觸和了與冰槳接觸問(wèn)題有關(guān)的詞，以便更好的理解下文。是指螺旋槳以任意形式與海冰發(fā)生接觸；是指海冰與螺旋槳表面某些部分接觸，例如葉面或者葉背。碰撞常發(fā)限；是指冰塊和槳葉的導(dǎo)邊和隨邊發(fā)生侵蝕下接觸，例如第一和第三象限時(shí)，槳葉葉緣將把海冰銑削和刮掉；是由于海冰受到槳葉的擠壓作用達(dá)到了破碎壓力。海冰的部分粒子被是由于接觸時(shí)出現(xiàn)了裂紋而導(dǎo)致的剝落；是槳葉將碎冰從冰塊中剝落的過(guò)程；破壞經(jīng)常與壓碎破壞同時(shí)發(fā)生的。在某一方向上，若冰的剪切強(qiáng)度超，那么剪切破壞發(fā)生了。

本文編號(hào)：2808481