[发明专利]一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析及支撑设计优化方法

说明书

一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析方法及支撑设计优化方法，首先，对船用螺旋桨设计模型三维图像文件进行预处理以及叶片分割，提取单个叶片以及与页片相连的桨毂图像；导入ANSYS软件中，进行网格划分；对螺旋桨下端面施加所有自由度约束和预紧力；进入模态求解模块，进行仿真获取无支撑的螺旋桨模态振型，对各模态中变形位移量最大的点进行支撑，确定首个支撑点的施加位置；重复仿真，进行支撑，直到各模态中变形位移量满足设计要求。本发明利用有限元分析软件ANSYS对船用螺旋桨进行模态振型分析，通过施加约束条件分析使用支撑时的模态变化，寻找优化的支撑方法。

技术领域

本发明涉及大型船用螺旋桨有限元模态仿真领域，更具体的，涉及一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析及支撑优化设计方法。

背景技术

计算机技术的发展，给人类解决工程问题带来了越来越多的便利。有限元分析的也逐渐扮演着越来越重要的角色，成为解决工程问题不可或缺的计算手段，与之应运而生有限元分析软件也多种多样。

螺旋桨是舰船的主动力装置，其设计与制造精度直接决定舰船运行性能。目前，螺旋桨的设计技术我国已达到领先水平，但是加工制造技术还存在较大差距。我国对于船用螺旋桨现阶段的加工一直采用手工打磨的方式，其工作环境差，对工人的身体有很大损伤，并且效率低下，精度也难以控制。为了解决这一问题，我国一些学者正在研究利用机器人进行螺旋桨铣削加工的工艺系统，其具有较多的优势。研究发现，铣削加工中的振动一直是影响加工质量的主要因素，所以，针对螺旋桨的振动模态分析是研究的重点内容。

发明内容

本发明的目的是针对螺旋桨的振动模态分析问题，提出这一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析及支撑设计优化方法。利用有限元分析软件ANSYS对船用螺旋桨进行模态振型分析，通过施加约束条件分析使用支撑时的模态变化，寻找优化的支撑方法。

本发明的技术方案是：

一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析方法及支撑设计优化方法，该方法包括下列步骤：

(a)对船用螺旋桨设计模型三维图像文件进行预处理；

(b)对预处理后的三维图像文件进行叶片分割，提取单个叶片以及与页片相连的桨毂图像；

(c)将步骤(b)获取的三维图像文件导入ANSYS软件中，进行网格划分；

(d)对螺旋桨下端面施加所有自由度约束；同时，对整个螺旋桨模型以重力作为预紧力施加载荷约束；

(e)进入模态求解模块，设置模态频率阶数以及求解方法，进行仿真获取无支撑的螺旋桨模态振型，将振动位移最大的两阶振型中变形最大的位置作为首个支撑点，进行支撑；

(f)重复步骤(e)的仿真，得到具有单个支撑的螺旋桨模态振型，再次获取各模态中变形位移量最大的点，进行进一步支撑，根据实际工况，重复上述支撑，完成支撑优化。

进一步地，步骤(a)中预处理具体为：对船用螺旋桨设计模型三维图像文件进行删减，去除三维图像中的辅助面或线。

进一步地，预处理还包括：对于螺旋桨模型叶梢部分未闭合曲线形成的尖角，选择同心圆柱面截取尖角部分，所述的同心圆柱面截圆直径小于螺旋桨直径9-11mm，优选10mm。

进一步地，步骤(c)中，文件导入ANSYS软件后，选择10节点四面体solid187单元，对图像进行网格划分。

进一步地，步骤(a)中将螺旋桨模型进行分割时，按螺旋桨结构的复杂程度将桨毂部分和叶片部分分割开来。

进一步地，步骤(c)中，进行网格划分时，对桨毂部分和叶片部分分别设置较小单元和稍大单元。