基于扩展有限元法的大功率全回转推进器螺旋桨疲劳裂纹扩展特性研究

摘要

动力定位系统是大型海洋装备在恶劣海况下确保定位精度和平稳性的核心装备。螺旋桨是动力定位系统的关键部件，疲劳断裂是螺旋桨主要失效形式。因此，开展复杂海洋环境下螺旋桨疲劳裂纹扩展特性研究，对开发深远海资源、维护领海安全，最终实现中国由海洋大国向海洋强国的历史跨越具有至关重要的意义。
　　本文以某型大功率全回转推进器为研究对象，基于扩展有限元法（XFEM）计算螺旋桨裂纹尖端的应力强度因子。基于实验数据推导出裂纹增长与应力强度因子之间的变化关系。在此基础上，基于线弹性断裂理论建立大功率螺旋桨桨叶疲劳裂纹扩展数值仿真模型，研究不同裂纹尺度、载荷大小以及裂纹初始形态对螺旋桨疲劳裂纹扩展的影响。计算结果表明，随着裂纹尺寸和载荷的增加，裂纹尖端应力强度因子随之增大，疲劳裂纹扩展速度加快，螺旋桨可靠性降低。不同初始形态的裂纹，其扩展路径均呈不规则的椭圆形态，并沿螺旋桨压力面方向裂纹扩展速度相对较快。仿真得到的裂纹扩展纹理图与螺旋桨实际断裂表面纹理具有较好的相似度。
　　基于扩展有限元法，建立了考虑表面粗糙度的二维裂纹扩展数值分析模型，对比分析表面粗糙度特征参数对疲劳裂纹扩展的影响。计算结果表明，随着表面粗糙峰宽度、间距的增加以及高度的降低，应力集中现象将减弱，疲劳裂纹扩展速度变缓。随着表面凹谷曲率的增加，应力集中现象明显，疲劳裂纹扩展速度加快。
　　本文研究工作对优化大功率全回转推进器螺旋桨的设计与加工工艺、提高其使役性能及可靠性均具有较好地指导作用。

目录

声明

1．绪论

1.1课题来源

1.2研究背景和意义

1.3国内外研究现状

1.4螺旋桨疲劳断裂事故调研

1.5本文主要研究内容

2．疲劳裂纹扩展基础理论

2.1引言

2.2裂纹的分类

2.3应力强度因子

2.4疲劳裂纹扩展

2.5本章小结

3．螺旋桨疲劳裂纹扩展数值分析

3.1引言

3.2数值建模

3.3疲劳裂纹扩展模拟流程图

3.4计算结果分析

3.5本章小结

4. 初始裂纹位置对螺旋桨疲劳裂纹扩展影响分析

4.1引言

4.2螺旋桨裂纹位置描述

4.3表面裂纹对裂纹扩展和疲劳寿命的影响

4.4边角裂纹对裂纹扩展和疲劳寿命的影响

4.5埋藏裂纹对裂纹扩展和疲劳寿命的影响

4.6本章小结

5. 表面粗糙度对螺旋桨疲劳裂纹扩展影响分析

5.1引言

5.2表面粗糙度特征描述

5.3数值建模

5.4计算结果分析

5.5本章小结

6. 全文总结与后期工作展望

6.1全文总结

6.2后期工作展望

致谢

参考文献

附录