破冰船是各國實施極地戰(zhàn)略必不可少的交通工具,其研發(fā)和建造近年來得到了越來越多研究者的關(guān)注。破冰船在有冰海域航行時,海冰將隨著船體運動靠近螺旋槳,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力載荷要大一個量級以上,如此大的冰載荷作用在槳葉上,會引起槳葉的變形和損壞,加上冰載荷具有劇烈脈動的特性,將通過軸系傳遞到船體,引進船體結(jié)構(gòu)的局部損壞。因此,開展冰槳接觸動態(tài)特性及槳的強度預(yù)報方法研究是冰區(qū)槳研究的重中之重,對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驗研究上,而對冰槳數(shù)值計算方法的開發(fā)研究的不多。由于冰槳接觸實驗的實施有較大難度,冰區(qū)槳的許多實際工況無法用實驗開展研究,冰槳接觸的許多現(xiàn)象和本質(zhì)都沒有被揭示。而數(shù)值方法可以克服這些缺點,模擬出實驗無法實施的冰槳接觸工況。為此,本文將冰槳接觸動態(tài)特性的數(shù)值計算方法,掌握冰槳接觸作用規(guī)律和機理,形成冰區(qū)螺旋槳槳葉強度分析步驟,為冰區(qū)螺旋槳的設(shè)計提供支撐。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)槳強度研究的進展。從海冰研究進展綜述分析中發(fā)現(xiàn),近場動力學(xué)方法能夠很好地模擬材料的大尺度變形和斷裂,非常適用于對海冰破碎過程的模擬。從理論預(yù)報、數(shù)值模擬和實驗研究三個方面對冰槳接觸研究進展進行了綜述,認(rèn)為目前冰槳接觸數(shù)值預(yù)報方法研究還處于起步階段,仍然有許多問題需要解決。對冰區(qū)槳強度研究綜述,認(rèn)為雖然已有學(xué)者開展研究,但是研究手段比較有限。近場動力學(xué)方法是本文研究冰槳接觸動態(tài)特性的基礎(chǔ)。在論文的第二部分對近場動力學(xué)運動方程進行了系統(tǒng)的推導(dǎo),并從運動方程離散、粒子搜索算法、計算修正以及邊界處理等方面介紹了近場動力學(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)出來的復(fù)雜的力學(xué)特征。針對冰塊在沖擊載荷作用下的破碎特點,總結(jié)推導(dǎo)了適用于冰破碎問題模擬的材料破壞準(zhǔn)則和冰載荷計算方法,并發(fā)展了基于近場動力學(xué)方法的冰沖擊問題的數(shù)值求解模型,自主開發(fā)相應(yīng)的計算程序。為了驗證近場動力學(xué)方法在模擬海冰破碎問題的可行性,以球形冰沖擊問題和柱形冰沖擊問題為例,分析了不同物質(zhì)點的間距對計算結(jié)果的影響,確保了計算方法的穩(wěn)定性;將計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)、實驗照片進行對比�？紤]螺旋槳幾何外形復(fù)雜的特點,引入面元法的思想將螺旋槳表面進行網(wǎng)格劃分。將冰塊處理為彈脆性材料并將其離散為物質(zhì)點形式。冰槳接觸海冰的破碎過程采用近場動力學(xué)方法模擬。為了反映冰槳接觸的真實情況,提出了冰槳接觸檢測算法,用于冰物質(zhì)點與螺旋槳接觸的識別。推導(dǎo)了冰槳接觸過程中的各方向力和力矩計算公式。結(jié)合近場動力學(xué)方法和冰槳接觸檢測算法,建立了冰槳接觸數(shù)值求解方法,并自主開發(fā)了相應(yīng)計算程序。冰槳銑削是對螺旋槳結(jié)構(gòu)安全性威脅最大的工況。本文將冰槳銑削的實際情況進行了簡化,建立了適用于冰槳銑削的計算模型,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)點間距對計算結(jié)果的影響,確保計算方法的收斂性,將計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行對比,驗證方法的可行性。基于此,開展了冰槳銑削的動態(tài)過程的數(shù)值模擬,計算海冰破碎過程,瞬態(tài)冰載荷以及軸承力特性。基于冰槳接觸數(shù)值計算方法,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態(tài)特性,得出了冰塊的運動及破碎特征和冰載荷的瞬態(tài)變化。研究表明:冰槳碰撞作用時間短,正方體冰模型與螺旋槳碰撞過程中會由于旋轉(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]冰槳碰撞的實際情況,建立螺旋槳與多個冰塊碰撞的數(shù)值計算模型,能夠計入冰塊與冰塊之間、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算模型,開展了特殊工況下的冰槳碰撞動態(tài)特性研究�？紤]螺旋槳結(jié)構(gòu)彈性變形特點,將近場動力學(xué)方法和有限元法耦合,提出了冰槳耦合的接觸動力學(xué)計算方法,并自主開發(fā)了相應(yīng)的計算程序。應(yīng)用計算程序開展了冰槳銑削工況下的槳葉結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)研究,計算了槳葉表面冰載壓力、應(yīng)力分布以及變形分布隨時間的變化,計算結(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,而冰槳充分接觸時間段內(nèi)槳葉應(yīng)力集中在葉根弦向位置中部。應(yīng)用計算程序開展了冰槳碰撞工況下的槳葉結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)研究,以圓球冰模型為例,計算冰塊與槳葉的導(dǎo)邊、隨邊以及葉梢碰撞過程中槳葉結(jié)構(gòu)動力響應(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冰級規(guī)范中有關(guān)冰區(qū)螺旋槳強度規(guī)范為基礎(chǔ),結(jié)合有限元法,開展了冰區(qū)螺旋槳靜強度校核方法研究。首先,對冰載工況下的冰區(qū)槳強度計算方法進行了網(wǎng)格無關(guān)向分析和驗證,開展了五個冰載工況下的槳葉應(yīng)力分布和變形分布的預(yù)報,并進行了槳葉整體強度的校核。然后,提出集中冰載工況下槳葉邊緣區(qū)域的強度計算方法。研究了不同加載位置下的槳葉應(yīng)力和變形分布特點,并進行了槳葉邊緣強度的校核。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：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)雜的動態(tài)變化過程，為冰區(qū)槳的安全運轉(zhuǎn)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。而且，在船舶實際運行過程中，一旦冰槳發(fā)生接觸，作用在螺旋槳上的接觸冰載荷將會出現(xiàn)劇烈的波動并通過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械振動、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)航行時經(jīng)常導(dǎo)致碎冰塊下浸并沿著船體表面滑動，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)特性也會有很大的不同[8]。因此，要掌握海冰對海冰的物理和力學(xué)特性有充分的了解。冰槳接觸時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)螺旋槳強度的準(zhǔn)確對冰槳接觸動態(tài)特性及冰載荷的準(zhǔn)確預(yù)報，而對于海冰物理力學(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描述冰作用于槳的專業(yè)術(shù)語[44]。這種干擾可以分為接觸和了與冰槳接觸問題有關(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，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到了破碎壓力。海冰的部分粒子被是由于接觸時出現(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程；破壞經(jīng)常與壓碎破壞同時發(fā)生的。在某一方向上，若冰的剪切強度超，那么剪切破壞發(fā)生了。

本文編號：2808481