• ISSN 1001-1455  CN 51-1148/O3
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远场冲击波下螺旋桨毁伤与空化特征研究

王志凯 郑景洲 杨洋 夏辉衡 姚熊亮

王志凯, 郑景洲, 杨洋, 夏辉衡, 姚熊亮. 远场冲击波下螺旋桨毁伤与空化特征研究[J]. 爆炸与冲击, 2025, 45(3): 033401. doi: 10.11883/bzycj-2023-0395
引用本文: 王志凯, 郑景洲, 杨洋, 夏辉衡, 姚熊亮. 远场冲击波下螺旋桨毁伤与空化特征研究[J]. 爆炸与冲击, 2025, 45(3): 033401. doi: 10.11883/bzycj-2023-0395
WANG Zhikai, ZHENG Jingzhou, YANG Yang, XIA Huiheng, YAO Xiongliang. Research on damage and cavitation characteristics of propellers under far field shock waves[J]. Explosion And Shock Waves, 2025, 45(3): 033401. doi: 10.11883/bzycj-2023-0395
Citation: WANG Zhikai, ZHENG Jingzhou, YANG Yang, XIA Huiheng, YAO Xiongliang. Research on damage and cavitation characteristics of propellers under far field shock waves[J]. Explosion And Shock Waves, 2025, 45(3): 033401. doi: 10.11883/bzycj-2023-0395

远场冲击波下螺旋桨毁伤与空化特征研究

doi: 10.11883/bzycj-2023-0395
基金项目: 国家重大专项(J2019I00170016);国家自然科学基金(12472366);黑龙江省优秀青年基金(YQ2021E009)
详细信息
    作者简介:

    王志凯(1989- ),男,博士,教授,wangzhikai@hrbeu.edu.cn

  • 中图分类号: O383

Research on damage and cavitation characteristics of propellers under far field shock waves

  • 摘要: 螺旋桨是舰船推进系统的核心部件,其运动稳定性和效率直接影响舰船的性能。当前推进轴系抗冲击研究大多将螺旋桨等效成均质圆盘,忽略其结构特征,不能准确得到水下爆炸瞬态冲击下螺旋桨的瞬态毁伤特征。本文中针对螺旋桨的结构特征,基于湿模态分析法得到实体建模优于壳体建模,开展了远场冲击波作用下螺旋桨物面空化冲击动响应及毁伤特征分析,并结合螺旋桨高速旋转状态下产生的水动力空化现象,进一步分析螺旋桨瞬态毁伤特征规律。结果表明:在0°与90°攻角下,冲击波入射波作用于螺旋桨表面的物面载荷更高,但存在一个上限值,其与螺旋桨结构特征有关。在计及水动力空化状态下,桨叶的应力水平变化较为一致;桨叶主要塑性损伤区为叶根处,存在局部塑性和完全塑性两种模式。探讨了远场爆炸下螺旋桨毁伤与空化特征,研究结果可为推进轴系及螺旋桨抗冲击防护提供参考。
  • 图  1  螺旋桨模型

    Figure  1.  Propeller model

    图  2  螺旋桨一阶湿模态

    Figure  2.  First-order wet modes of propeller

    图  3  Bleich-Sandler平板模型

    Figure  3.  Bleich-Sandler plate model

    图  4  冲击波压力曲线

    Figure  4.  Shock wave pressure curve

    图  5  一维Bleich-Sandler有限元模型

    Figure  5.  One-dimensional Bleich-Sandler finite element model

    图  6  平板速度随时间的变化曲线理论与计算值对比

    Figure  6.  Comparison of the plate velocity-time curves between theoretical and calculation values

    图  7  爆源位置示意图

    Figure  7.  Detonation source location diagram

    图  8  不同攻角物面空化区域

    Figure  8.  Cavitation zones at different angles of attack

    图  9  空化区域体积随攻角的变化

    Figure  9.  Change of cavitation zone volume with the angle of attack

    图  10  不同冲击因子下的物面空化区域

    Figure  10.  Cavitation zones at the material surface under different shock factors

    图  11  空化区域体积随冲击因子变化曲线

    Figure  11.  Change of cavitation zone volume with shock factor

    图  12  物面空化溃灭二次加载

    Figure  12.  Cavitation collapse secondary loading on object surface

    图  13  二次加载压力峰值随功角变化曲线

    Figure  13.  Change of secondary loading peak pressure with angles of attack

    图  14  90°攻角下二次加载压力峰值随网格尺寸变化

    Figure  14.  Change of the secondary loading peak pressurewith mesh size at 90° angle of attack

    图  15  测点位置

    Figure  15.  Position of measuring points

    图  16  冲击因子为1.0 kg1/2/m时不同攻角下不同测点位移响应

    Figure  16.  Deflection responses of different measuring points at different angles of attack when the shock factor is 1.0 kg1/2/m

    图  17  冲击因子为1.3 kg1/2/m时不同攻角下不同测点的等效塑性应变分布

    Figure  17.  Equivalent plastic strain of different measuring points at different angles of attack when the shock factor is 1.3 kg1/2/m

    图  18  爆源-空化层-物面冲击波传递数值模拟示意图

    Figure  18.  Simulation of explosion source-cavitation layer-surface shock wave transmission

    图  19  流场压力云图

    Figure  19.  Flow-field pressure contours

    图  20  空化泡层体积变化

    Figure  20.  Variation of cavitation bubble layer volume

    图  21  板面应力波传递云图

    Figure  21.  Stress wave propagation contour on the plate surface

    图  22  空化泡层示意图

    Figure  22.  Schematic diagram of cavitation bubble layer

    图  23  冲击载荷作用下桨叶的轴向位移

    Figure  23.  Axial displacement of blade under shock load

    图  24  相同攻角不同冲击因子下典型测点位移响应

    Figure  24.  Deflection response of typical measuring points under different shock factors at the same angle of attack

    图  25  冲击因子为1.3 kg1/2/m时不同攻角下不同测点的塑性变形云图

    Figure  25.  Contour of the plastic deformation cloud at different measuring point when the shock factor is 1.3 kg1/2/m

    表  1  螺旋桨材料参数

    Table  1.   Propeller material parameters

    密度/
    (kg∙m−3)
    杨氏模量/
    GPa
    泊松比 强度极限/
    MPa
    7600 117 0.3 630
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    表  2  螺旋桨部分设计参数

    Table  2.   Design parameters of propeller part

    直径D/
    mm
    叶数Z 切面
    形状
    螺距H/
    mm
    螺距比
    H/D
    后倾角α/(°) 毂径比
    d/D
    6000 5 弓型 4200 0.7 15 0.183
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    表  3  螺旋桨固有频率数值模拟与理论值对比

    Table  3.   Comparison of propeller intrinsic frequency between simulation and theoretical values

    方法 实体一阶湿模态固有频率/ Hz 壳体一阶湿模态固有频率/Hz
    一阶挥舞 一阶扭转 一阶挥舞 一阶扭转
    数值模拟 14.87 35.81 12.01 31.91
    经验公式 14.09 33.38 14.09 30.54
    相对误差/% 5.6 7.3 −14.7 −8.5
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    表  4  计算工况

    Table  4.   Working condition

    工况 攻角/(°) 冲击因子/(kg1/2·m−1 工况 攻角/(°) 冲击因子/(kg1/2·m−1
    1 0 0.4 9 60 0.4
    2 0.7 10 0.7
    3 1.0 11 1.0
    4 1.3 12 1.3
    5 30 0.4 13 90 0.4
    6 0.7 14 0.7
    7 1.0 15 1.0
    8 1.3 16 1.3
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    表  5  不同尺寸网格数量

    Table  5.   Mesh quantities for different sizes

    轴体网格尺寸/ mm 桨叶网格尺寸/ mm 网格数量
    200 100 23 343
    160 80 57 599
    100 50 153 536
    90 45 207 462
    80 40 302 294
    70 35 576 104
    60 30 654 490
    50 25 1 105 909
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    表  6  不同攻角下螺旋桨的塑性损伤情况

    Table  6.   Plastic damage of propeler at different angles of attack

    攻角/(°) 根部塑性
    损伤叶片
    数量
    3/4半径叶缘处
    塑性损伤峰值
    范围/%
    3/4半径叶缘处
    塑性损伤平均值
    范围/%
    塑性损伤
    范围总值/%
    0 5 3.4 3.0 13.1
    30 4 1.9 1.3 7.5
    60 4 1.0 0.5 3.5
    90 5 3.2 2.7 14.4
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    表  7  不同攻角塑性损伤情况

    Table  7.   Plastic damage at different angles of attack

    攻角/(°) 叶根塑性损伤模式 塑性损伤范围/%
    0 局部塑性 4.4
    30 局部塑性 4.2
    60 整体塑性 5.6
    90 整体塑性 7.9
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-10-31
  • 修回日期:  2024-03-29
  • 网络出版日期:  2024-04-01
  • 刊出日期:  2025-03-05

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