冰载荷下螺旋桨静力分析及冰与桨碰撞动力响应研究

摘要

每年入冬，我国渤海和黄海北部海域均有大量海冰出现。船舶在结冰海区航行时，螺旋桨作为船舶最为脆弱的部分，它裸露在船尾，并且浸入水中深度较浅难以避免与冰发生相互作用，使得桨叶叶梢及叶缘等区域均遭受严重的损伤。因此，探讨船舶螺旋桨受冰作用下的强度问题，对冰区航行船舶的螺旋桨的结构设计等具有很大的工程和应用价值。
　　本文主要对冰载荷作用下螺旋桨的强度和冰与桨碰撞动力响应问题进行了深入的研究。基于Pro/E建立了螺旋桨几何模型，根据中国船级社CCS规范中冰载荷的计算公式及计算工况，运用ANSYS实现了冰载荷作用下螺旋桨的静力分析，为螺旋桨受冰载荷作用下的结构强度设计提供了方法支持。
　　基于文献中的冰高速冲击实例进行了数值模拟，冰模型采用SPH方法，计算结果与文献中的实验结果进行比对，有效地验证了冰的数值模型和碰撞计算方法的可行性。利用ANSYS/LS-DYNA对冰与桨碰撞进行了数值仿真，建立了冰与桨碰撞计算模型，着重研究了桨叶与单冰块在不同角度、不同速度、不同位置碰撞，桨叶与不同半径冰碰撞和桨叶与多冰块同时发生碰撞下的动态结构响应特性，揭示以上情况下桨叶的变形、最大应力应变、以及碰撞过程中的碰撞力等规律，定性地得出上述因素对冰与桨碰撞的影响。
　　按照中国船级社CCS规范设计了B1冰级加强型螺旋桨，然后运用同样的方法进行研究，主要研究了叶厚对螺旋桨受冰载荷能力的影响和叶厚对螺旋桨抗冰冲击能力的影响，对比得出叶厚的增加提高了螺旋桨的承载能力。
　　本文的研究成果对冰区螺旋桨的结构设计、强度校核等具有重要意义，为螺旋桨的抗冰结构设计提供了有益的参考。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 冰载荷作用下结构物安全性研究现状

1.3 冰与结构物碰撞的动力响应研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 冰冲击特性及冰载荷研究

2.1 冰冲击特性研究

2.2 冰载荷

2.3 本章小结

第3章 冰载荷作用下螺旋桨的静力分析

3.1 模型建立

3.2 计算工况

3.3 静力分析

3.4 本章小结

第4章 冰与螺旋桨碰撞动力响应分析

4.1 引言

4.2 冰与桨碰撞模型的建立

4.3 单冰块与桨碰撞动力响应分析

4.4 多冰块与桨碰撞动力响应分析

4.5 本章小结

第5章 叶厚对桨受冰作用下强度的影响研究

5.1 螺旋桨冰级加强

5.2 叶厚对桨受冰载荷能力的影响

5.3 叶厚对桨抗冰冲击能力的影响

5.4 本章小节

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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