毂帽鳍参数变化对新型低噪声耦合桨增效影响的数值分析

毂帽鳍设计参数选取的不同会影响螺旋桨尾流的回收利用程度,从而影响毂帽鳍的节能、消涡效果。针对低噪声多叶耦合螺旋桨这种新构型,本文采用CFD数值方法,分析了鳍叶叶数、周向安装角度和鳍叶直径比对毂帽鳍流场和节能效果的影响,研究结果表明:耦合桨虽然由前后2组桨叶错开布置,但在毂帽鳍叶数选取时,仍需以2组桨叶叶数之和作为参考;不同叶数的周向最佳安装角叶略有不同;本耦合桨在鳍叶直径比为0.41时,毂帽鳍增效最高,与常规桨相比耦合桨鳍叶最佳直径比相对偏大。本文结果可为耦合桨毂帽鳍设计时主参数的选取提供指导和依据。

基于动刚度法的水面船舶桨-轴-船体耦合系统

为分析在低频段内船体两侧螺旋桨激励相位差对船体振动的影响,基于动刚度法建立水面船舶桨-轴-船体耦合系统的横向振动3梁耦合模型。将动刚度法的计算结果与有限元法进行对比,表明动刚度法具有良好的精度。分析桨-轴-船体耦合系统的垂向固有振动特性。在低频段内该系统主要表现为船体梁的振动,推进轴系对船体梁的固有特性影响较小。对左右双桨分别施加不同相位差的单位垂向简谐力,计算由各轴承位置输入至船体梁的功率流。结果表明,双桨激励相位差的增大会使输入至船体梁的功率流变小。因此,在对桨-轴-船体耦合系统的横向振动控制方面,应重点关注双桨激励相位差较大时的工况。

艇后大侧斜螺旋桨非定常空化及噪声性能研究

结合数值和试验方法,对艇后七叶大侧斜螺旋桨进行空化性能及空化噪声分析.采用雷诺平均(RANS)方法和Ffows Williams-Hawkings声学类比方程混合的计算方法,结合SST k-ω湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型,研究了艇后七叶螺旋桨的非定常空化脉动压力、推力系数、速度分布及空化形态演变过程,并将数值结果与试验结果进行比较验证.基于艇后螺旋桨空化噪声的数值仿真,分析不同空化数下各阶压力脉动幅值、噪声功率谱、频率普.结果表明:随着空化数的减小,脉动压力波动峰值减小,桨叶无明显空化时,噪声高幅值主要集中在低频段,空化发生时,高频段噪声的声压级会明显增大,声功率级增大60 dB,而低频段的噪声随着空化的发展而增加,空化完全发展时,所有频段噪声一起增大到更高水平.

桨-轴-艇耦合模型轴承分布式弹簧建模方法

针对桨-轴-艇耦合模型建模中轴承简化合理性问题,研究轴承简化为弹簧单元分布和刚度的合理性和可行性.建立桨-轴-艇耦合系统尾部模型,并将轴承简化为弹簧单元,分析弹簧单元分布和刚度变化对振动响应结果的影响.结果表明:在刚度比例系数λ=1时,多排分布弹簧模型的振动响应结果与原模型结果最接近.通过简化桨-轴-艇耦合系统尾部模型中的轴承减少单元和节点数量,提高仿真计算效率.

新型低噪声多叶耦合螺旋桨性能研究

提出了一种船用螺旋桨的新构型--低噪声多叶耦合螺旋桨,并研究了该新构型的水动力性能。多叶耦合螺旋桨通过采用桨叶内半径轴向错位、外半径同盘面均匀布置的全新形式,实现螺旋桨桨叶多层耦合分布,使得各桨叶间产生有利的水动力干涉,降低翼栅效应的影响,达到增加桨叶数或盘面比而不降低推进效率的目的,从而提高了螺旋桨的空泡、噪声、非定常力等性能,开拓了低噪声螺旋桨设计的新思路。通过CFD数值模拟和模型试验,开展了低噪声多叶耦合螺旋桨的敞水性能及空泡性能研究。理论与试验结果表明,与现有某船五叶螺旋桨相比,新型多叶耦合螺旋桨空泡性能提高约20%,推进效率提高约7%;基于CFD数值模拟的多叶耦合螺旋桨敞水性能预报方法精度达2%。该文提出的新型低噪声多叶耦合螺旋桨对提高水面、水下推进器的声隐身性能具有重大的军事意义。

舰艇桨-轴系-船体耦合振动测试实尺度试验台设计

为获得舰艇桨-轴系-基座-船体的振动传递规律,分析桨-轴系-船体耦合动力特性数值计算的合理性,考核轴系各项减振措施的减振效果,搭建了基于减振降噪设计且与实舰较吻合的桨-轴系-船体耦合振动测试的实尺度试验台。通过基座阻抗特性、轴系和船体振动响应、轴系模态等试验和各项减振措施测试,获得了耦合系统纵向振动频响传递函数、船体结构响应特性以及为修正耦合动力特性数值计算所需试验数据,考核了各项减振降噪措施。

桨-轴系-船体耦合振动频响函数子结构综合建模方法验证与分析

提出桨-轴系-船体耦合系统振动响应的频响函数子结构综合建模方法。搭建基于减振降噪设计的桨-轴系-船体耦合振动测试的实尺度试验台,开展轴系运转状态下的振动传递测试。利用测试结果,验证频响函数子结构综合建模方法的最大幅值误差在主要频率点处不大于2.0 dB;并对结合数值模拟对测试得到的传递特性进行分析,得到结论为:低频主要峰值为模拟桨的同相振动、模拟桨和轴系耦合1阶纵振模态;推力轴承是模拟桨和轴系耦合1阶纵振模态的有效传递通道。

小水线面双体船桨-轴-船体耦合振动和声辐射分析

针对小水线面双体船螺旋桨-轴系-船体耦合系统,利用耦合有限元方法建立了水体-螺旋桨-轴系和船体-水体子系统的耦合动力学模型,进行谐响应计算得到各个子系统轴承连接点处的导纳,把轴承作为弹性连接单元,通过频响综合得到整个系统的频域响应,再由边界元计算得到声场响应。该方法可考虑流固耦合螺旋桨的弹性、螺旋桨轴系与船体的耦合效应。结果表明螺旋桨激励下船体辐射声功率的特征峰值主要有轴系的一阶纵振和螺旋桨的第一、二阶同向振动湿模态,即辐射噪声谱的特征体现在轴系和螺旋桨。因此,针对螺旋桨激励下的桨-轴-船耦合系统部分的噪声,隐身设计的重要内容是螺旋桨和轴系参数的优化。该方法可对桨-轴-船体耦合系统中螺旋桨和轴系的参数分析提供高效的分析手段,从而为隐身优化设计提出明确的指导方向,具有重要工程意义。

科氏效应对叶片-桨毂-轴耦合系统振动特性的影响规律研究

采用几何精确模型与阶次截断方法描述叶片的空间变形,建立了考虑科氏效应与离心刚化作用的叶片-桨毂-轴耦合系统动力学模型,推导了耦合系统振动微分方程。采用Rayleigh-Ritz法进行数值离散,计算了不同刚度比、半径比、转速和叶片数下,科氏效应对系统模态频率的影响。研究表明:叶片-桨毂-轴耦合系统模态中包含耦合和非耦合两类模态,耦合模态频率在考虑科氏效应后发生明显降低;随着半径比增加,科氏效应对第1阶耦合模态频率的影响逐渐减弱,对第2阶耦合模态频率的影响逐渐增强;转速的增加会提升耦合模态对科氏效应的敏感性;刚度比处于10;~10;范围内时发生叶片模态振型转换的现象,模态振型转换后科氏效应的影响更为显著;随着叶片数目的增加,科氏效应对模态频率的影响逐渐减弱。研究结果可为旋转叶片-桨毂-轴耦合系统的动力学设计提供理论参考。

桨-轴-船艉耦合系统分布式动力吸振器多频优化

桨-轴-船艉耦合系统低频振动是舰船振动与声辐射主要来源之一,采用分布式动力吸振器对桨-轴-船艉耦合系统进行低频振动控制。首先采用有限元法计算桨-轴-船艉系统耦合振动特性,根据模态振型确定分布式动力吸振器的数量和位置。以艉部船体表面均方振速为控制目标,采用频响综合法计算吸振器作用下的系统耦合振动响应,提出基于遗传算法的分布式动力吸振器多频优化方法,控制螺旋桨垂向激励由艉轴承向船体的传递。结果表明,经优化的分布式动力吸振器可有效抑制螺旋桨垂向激励向船体的传递,进而降低艉部船体表面法向振动。此外,提出的分布式动力吸振器多频优化方法可解决单频优化参数应用于多频优化时效果变差的问题,同时频响综合法的引入可减少应用于复杂系统的吸振器参数优化时间。

螺旋桨低频振动声辐射特性研究——水母效应

[目的]螺旋桨“水母模态”被激发可诱导出强烈的低频窄带声辐射。在此基础上,分析“水母模态”的第2种机制:由纵振传递引起的艇体结构振动声辐射−我们称之为潜艇的“水母效应”。[方法]基于等效声源法建立螺旋桨直发声偶极子模型;根据耦合有限元/边界元方法建立桨-轴-艇系统振动声辐射数值模型。[结果]研究表明:螺旋桨“水母模态”被激直发声因偶极子叠加而显著增强;螺旋桨低频弹性模态将桨-轴-艇系统的动态力传递显著放大,使纵振辐射水平大幅提高成重要声特征;横向激励与螺旋桨重频模态关联。[结论]研究揭示的潜艇“水母效应”概念内涵及发声机理,可为低噪声螺旋桨设计及舰船推进系统噪声控制提供基础理论,具有重要的理论和工程价值。

变桨距系统多变量协调控制策略研究

由于风力机独立变桨距控制系统是一个多变量、非线性以及带有时变性的控制系统,为了解决该复杂控制系统中多变量之间的耦合问题,在传统PID变桨控制的基础上提出了多桨耦合协调控制策略,并将仿真结果与传统PID变桨控制进行对比,仿真结果表明:基于协调控制技术的变桨控制系统变桨同步性大幅提高,且具有更高的变桨精度。

螺旋桨激励力作用下舰船振动及水下声辐射特性研究

针对螺旋桨激励力作用下舰船振动响应及水下声辐射特性进行研究,基于有限元法/边界元法(FEM/BEM)对比分析螺旋桨三向激励力分别作用及共同作用时舰船振动响应及水下声辐射特性。结果表明:相比螺旋桨轴向及横向激励力,螺旋桨垂向激励力更易激发舰船振动及水下声辐射响应,且均方速度级与声功率级更大;螺旋桨轴向力及横向力主要激发舰船水平振动,垂向力则主要激发舰船垂向与水平振动;螺旋桨激励力作用下舰船振动响应与水下声辐射线谱不完全一致,且水下声辐射线谱分布频率范围更广。最终建立起螺旋桨激励力与舰船振动及水下声辐射间的对应关系,为舰船桨-轴-船系统减振降噪设计提供理论支持。

极地邮轮航行螺旋桨节能优选方法

在极地邮轮螺旋桨节能设计中,既要考虑开阔海域的快速航行,又要兼顾冰区大冰阻低速航行。为使设计在实际工程应用中高效可行,采用系列螺旋桨图谱与CFD虚拟圆盘结合的船-桨耦合仿真方法。通过对MAU系列螺旋桨的优选,在开阔海域的推进效率较原先采用的库存螺旋桨提升了4.76%。对于冰区航行,通过桨叶的优化设置,相对于原开阔海域的推进装置其推进效率可增加8.11%。通过极地邮轮推进的应用实例,演示了提出的方法的有效及可行性。该方法可为节能减排的船舶设计提供参考。

风力发电高塔系统阵风荷载因子法

给出了风力发电高塔系统阵风荷载因子法。与传统的阵风荷载因子法不同的是,因桨叶/塔体相互作用的存在,风力发电高塔系统阵风荷载因子包含两项共振分量。一般地,风力发电高塔系统包含桨叶和塔体两个子结构,每个子结构都可视为单自由度体系,二者耦合在一块构成两自由度体系。因桨叶和塔体自振频率可能相近,系统响应的共振分量包含了桨叶/塔体耦合系统前两阶振型的贡献。为获得风力发电高塔系统阵风荷载因子的准确值,给出了塔顶位移和基底弯矩阵风荷载因子数值解以及塔顶位移阵风荷载因子精确解。同时,针对桨叶不同转速给出了一系列考虑桨叶/塔体耦合的两自由度体系阵风荷载因子,并与不考虑桨叶/塔体耦合的单自由度体系阵风荷载因子比较,两者有一定的区别。

中高速船自航因子数值预报方法

以某400 t渔政船为研究对象,提出一种新的自航点确定方法,得到船舶实效自航性能,仿真计算船体阻力、螺旋桨单独水动力性能以及船舶全附体自航因子,计算结果与试验结果比较表明,新的船-桨-舵全耦合复杂系统自航计算方法既能保证计算精度又能缩短计算时间。

桨叶切削模型冰过程螺旋桨载荷特性试验研究

为研究冰水混合环境下桨叶切削冰体的力学特性,在大型循环水槽搭建了冰桨流耦合测试系统,结合实船依据等比例缩比选定试验模型和确定试验工况,对冰桨切削过程中的螺旋桨整体和单桨叶载荷进行试验测试.试验结果表明:冰桨接触过程螺旋桨和单桨叶受到的载荷表现出围绕水动力载荷上下振荡脉动的特征,冰桨接触过程加剧了螺旋桨载荷脉动的幅度;从频域分析发现螺旋桨混合载荷的一阶叶频脉动幅值最大,单桨叶载荷的轴频脉动幅值最大;载荷特征和频谱分析符合螺旋桨运动特性,间接验证了试验数据的有效性;螺旋桨推力的脉动幅度要大于单桨叶的脉动幅度,表明当进行螺旋桨单桨叶载荷分析时必须考虑其他桨叶的干扰;单桨叶的轴向力的脉动幅度要大于切向力的脉动幅度,单桨叶轴向力正向脉动幅值要大于总推力正向脉动幅值.

仿海蟹机器人浮游步态动力学建模与运动控制

为实现足桨耦合推进仿海蟹机器人在未知海流扰动作用下对目标点的跟踪控制,对仿海蟹机器人浮游步态的动力学和运动控制进行研究.综合考虑重力、浮力、游泳足拍动产生的推力以及水动力的影响,建立了仿海蟹机器人水下复杂环境的动力学模型.在此基础上,设计了一种基于指数趋近律的滑模变结构控制器,将游泳足上下拍翼运动和摇翼运动的相位差作为被控量,对机器人的转艏角速率进行控制.通过李亚普诺夫直接法,证明该系统可实现全局渐近稳定.最后进行了单一目标点和多目标点跟踪运动仿真和实验,结果表明:该方法可以使机器人具有良好的目标点跟踪能力,并对系统动力学参数不确定性及外界扰动具有较高鲁棒性.