基于CFD的双调距桨桨叶应力及变形仿真分析
颜昌禄1,刘正林2
【摘 要】摘 要：以双调距桨为研究对象，应用CFD方法(FLUENT和ANSYS Workbench 软件)，分别建立有限体积元模型和有限元模型，将有限体积元模型仿真计算得到的桨叶三维水动力载荷施加在有限元模型的桨叶叶面上，进行双调距桨桨叶的应力及变形的仿真计算与分析，揭示双调距桨的桨叶应力与变形随螺距角、进速系数的变化规律，为调距桨的设计与优化提供理论支持。 【期刊名称】船海工程 【年(卷),期】2016(045)004 【总页数】4
【关键词】双调距桨；桨叶应力；桨叶变形；有限体积元模型；有限元模型 随着船舶大型化、现代化和自动化的发展，调距桨尺寸也越来越大，对性能的要求也越来越高，但目前国内外在船舶调距桨的桨叶应力与变形，尤其是双調矩桨(包括双桨的干扰问题)的仿真计算鲜有报道。
调距桨[1-8]在工作时，工况多变、受力复杂，作用在桨叶上的轴向推力和旋转阻力使得桨叶产生弯曲和扭转，局部出现较大的应力与变形。为了保证调距桨桨叶拥有足够的强度，在工作中不发生损坏及断裂事故，须对调距桨桨叶的应力与变形及影响因素(如螺距角、进速系数等)进行分析计算，为调距桨的设计与优化提供理论支持。
1 双调距桨桨叶强度计算模型
双调距桨在正常工作时受到的载荷主要包括水动力载荷、重力载荷，以及离心力载荷。其中，重力载荷和离心力载荷比较容易确定，关键问题是解决桨叶在
调距过程中所受到的水动力载荷的大小和分布及双桨干扰问题。双调距桨的水动力载荷可应用计算流体动力学(computation fluid dynamics，CFD)方法(FLUENT和ANSYS Workbench 软件)，分别建立双调距桨的有限元体积模型和有限元模型，将有限元体积模型计算得到的桨叶三维水动力载荷施加在调距桨有限元模型的桨叶叶面上，进行双调距桨桨叶的有限元分析，得到调距桨桨叶应力及变形场分布状况。由于2个调距桨为对称分布，其桨面压力、速度等分布状况相同，因此仅以单桨为例进行仿真计算与分析。 1.1 调距桨类型及主要参数
某船的推进器为AU型双调距桨，旋向为外旋。其他相关几何参数见表1。 1.2 计算域网格划分及边界条件设置
1)调距桨网格划分。应用GAMBIT将调距桨桨叶各个截面上的三维型值点拟合成光滑的曲线，由线生成面，面合成体，生成三维桨叶模型，见图1a)。通过软件整合功能将所有零部件并成一体，组成完整的调距桨。调距桨表面网格选用三角形类型，采用手动方式对桨叶的网格尺度进行定义，并对桨叶叶梢、导边、随边和桨毂等结合部位的网格加密，见图1b)。
2)计算域网格划分。以船体中线为轴线，将建好的调距桨三维模型进行镜像阵列，得到2个旋向相反的调距桨。2个螺旋桨在同一截面上，2桨轴线间距为2.5D(D为调距桨直径)。
工作时，调距桨周围流体随桨一起转动。为了模拟调距桨周围的流场，在调距桨外部创建一个大型圆柱体作为流场控制体。控制体长10D，直径6D。流场区域分成两部分：将调距桨四周设为圆柱体旋转区域，旋转区域长0.8D，直径1.6D，用来仿真模拟调距桨周围流体的流动；除旋转区域外，流场区域的其余
区域设为静止区域。
对圆柱形流场区域划分网格时，采用非结构化网格(Tet和Hybrid混合单元)，见图2。模型整个流场节点数有20多万个，网格单元有300多万个，其中，最大体网格体积为0.12 mm3，而最小体网格体积只有0.041 5 mm3。 3)边界条件。在调距桨水动力的敞水计算中，选用FLUENT软件中的多重旋转坐标系模型(即MRF模型)。进口为速度进口，出口为自由出口；流体湍流模型采用k-ε计算模型。外部静止区域的圆柱体表面设置为壁面(WALL)，内部旋转区域与外部圆柱静止区域间重合的圆柱体表面设为INTERFACE面。在导入FLUENT后将这2个重合表面连接起来，形成一对交接面，以便于外部静止区域与内部旋转区域的数据和能量的交换。调距桨表面边界条件设定为壁面(WALL)，在导入FLUENT后成为与内部旋转区域同轴旋转的旋转壁面。整个流域的边界条件见图3。当调距桨转速为360 r/min，进速系数J=0.5，速度进口为10 m/s时，调距桨的桨叶叶面压力分布云图见图4。 1.3 双调距桨有限元模型和桨叶载荷
调距桨结构静力学分析需要调距桨实体有限元模型，而调距桨流场模拟需要调距桨外部流场模型(有限体积元模型)。但这2种模型的网格节点在调距桨桨叶交界面处不一定能一一对应，须遵循空间距离就近原则，应用ANSYS Workbench软件将该处的2种网格节点一一配对，然后将在调距过程中由有限体积元模型计算得到的桨叶表面的水动力载荷信息完全映射到调距桨有限元模型的桨叶表面，然后进行桨叶应力和变形仿真计算。加载后的调距桨叶面和叶背有限元模型见图5。
2 桨叶应力及变形有限元分析
基于 CFD 的双调距桨桨叶应力及变形仿真分析
