[发明专利]一种提高抗冰载荷能力的冰区船舶螺旋桨桨叶优化方法

说明书

本发明公开了一种提高抗冰载荷能力的冰区船舶螺旋桨桨叶优化方法，其特点是：通过有限元方法模拟螺旋桨受冰载荷的大小和范围，计算应力分布情况，进行极限强度和疲劳强度分析，迭代修正桨叶设计方案，在避免设计冗余，保证螺旋桨水动力性能的前提下提高桨叶抗冰载荷能力。本发明与现有技术相比，研制周期短、人力物力投入下，技术风险可控，对提高冰区船舶设计质量和航行安全性有重要帮助。

技术领域

本发明涉及船舶推进技术，特别属于一种优化螺旋桨桨叶优化从而提高冰区船舶螺旋桨桨叶抗冰载荷能力的设计方法。

背景技术

螺旋桨工作时作用在桨叶上的流体动力有轴向的推力及与转向相反的阻力，两者都使桨叶产生弯曲和扭转。螺旋桨在旋转时桨叶本身的质量产生径向的离心力，使桨叶受到拉伸，若桨叶具有倾斜或纵斜，则离心力还要使桨叶产生弯曲；而船舶在冰区航行或在破冰过程中，螺旋桨桨叶还将受到冰块载荷的作用力，冰块可能会对桨叶的撞击还可能会导致破冰船的螺旋桨产生扭曲、破裂甚至是桨轴断裂现象。可见，冰区船舶螺旋桨桨叶承受的载荷较为复杂。

国内外主要通过强度校核来判断螺旋桨的承载能力是否满足船舶安全航行。国内常规螺旋桨多采用悬臂梁方法进行强度校核，即把桨叶看作是扭曲的变截面的悬臂梁。冰区航行船舶螺旋桨的单位面积负荷功率往往较高，且由于冰载荷的存在，螺旋桨桨叶的强度校核方法与常规螺旋桨存在较大差别。国内CCS有部分关于冰区航行船舶的一般规定，但没有完整的关于螺旋桨强度检验方面的标准，国际相关规范体系仅对桨叶载荷受力类型有相关描述。从目前的相关研究文献看，针对冰区螺旋桨抗冰载荷的研究主要是进行强度校核且尚未形成完善的规范标准，而通过桨叶优化设计提高冰区螺旋桨抗冰载能力的方法研究较少。

因此，为保证冰区航行船舶的安全航行，必须在设计过程中考虑螺旋桨的抗冰载能力，提出相应的优化设计方法，使螺旋桨在冰区航行状态下具有足够的强度，不致破损或断裂。

发明内容

本发明目的是提供一种提高抗冰载荷能力的冰区船舶螺旋桨桨叶优化方法。采用该方案可模拟冰区航行船舶可螺旋桨受冰块撞击时的受力情况，并进行极限强度和疲劳强度分析，迭代修正桨叶设计参数，再进行水动力性能评估，最终形成桨叶设计方案，为冰区船舶安全航行提供技术支撑。

本发明的一种提高抗冰载荷能力的冰区船舶螺旋桨桨叶优化方法，主要步骤如下：第一步：根据螺旋桨冰级确定桨叶承受冰载荷的大小、区域和方向；

第二步：冰区航行船舶螺旋桨初步方案强度分析有限元网格划分；

第三步：有限元强度计算分析；

第四步：螺旋桨桨叶优化设计；

第五步：对修改后的桨叶方案进行有限元计算分析，若方案不能同时满足极限强度和疲劳强度衡准，或满足要求但结果冗余度较大，则根据第五步的方法继续对进行迭代修改，直到得到满足第三步中的强度衡准；

第六步，采用CFD数值仿真或模型试验等手段，对迭代修改后的桨叶进行敞水性能评估，验证其是否满足船舶在开敞水域的快速性要求；

第七步，确定最终桨叶优化方法，绘制桨叶图。

优选的，第一步：根据螺旋桨冰级确定桨叶承受冰载荷的大小、区域和方向。根据螺旋桨冰级及设计参数确定冰载荷大小，吸力面冰载荷大小为：

压力面冰载荷大小为：

其中，S_ice、H_ice为根据PC级确定的系数；

n为螺旋桨冰区航行最大转速(MCR)，单位rps；

D为桨叶直径，单位m；

d为桨毂直径，单位m；