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. 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. 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. 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. 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: O383.1

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着舰船的性能。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。故本文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。得到了以下结论: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。本文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  水下兵器对舰船毁伤威力

    Figure  1.  The damage power of underwater weapons to ships

    图  2  螺旋桨水动力空泡

    Figure  2.  Propeller hydrodynamic cavitation

    图  3  螺旋桨模型

    Figure  3.  Propeller model

    图  4  螺旋桨一阶湿模态

    Figure  4.  The first-order wet mode of propeller

    图  5  Bleich—Sandler平板模型

    Figure  5.  Bleich-Sandler plate model

    图  6  冲击波压力曲线

    Figure  6.  Shock wave pressure curve

    图  7  一维Bleich—Sandler有限元模型

    Figure  7.  One-Dimensional Bleich-Sandler Finite Element Model

    图  8  平板速度随时间的变化曲线的理论值与计算值对比

    Figure  8.  Comparison of the plate velocity-time curve between theoretical and calculation values

    图  9  爆源位置示意图

    Figure  9.  Detonation source location diagram

    图  10  不同攻角物面空化区域

    Figure  10.  Cavitation area at different angles of attack

    图  11  空化区域大小随攻角变化

    Figure  11.  The size of cavitation area changes with the angle of attack.

    图  12  不同冲击因子物面空化区域

    Figure  12.  Cavitation zones at the material surface under different shock factors

    图  13  空化区域大小随冲击因子变化曲线

    Figure  13.  Curve of cavitation zone size variation with shock factor

    图  14  物面空化溃灭二次加载

    Figure  14.  Cavitation collapse secondary loading on object surface

    图  15  不同攻角二次加载峰值

    Figure  15.  Secondary loading peak values at different angles of attack

    图  16  90°攻角下二次加载峰值随网格尺寸变化

    Figure  16.  At 90 Degrees angle of attack, the variation of the secondary loading peak with mesh size

    图  18  冲击因子为1.0时不同攻角下不同测点位移响应

    Figure  18.  Deflection response of different measuring points at different angles of attack when the shock factor is 1.0

    图  17  测点位置

    Figure  17.  Position of measuring point

    图  19  冲击因子为1.3时不同攻角下不同测点塑性变形

    Figure  19.  Plastic deformation of different measuring points at different angles of attack when the shock factor is 1.3,

    图  20  爆源-空化层-物面冲击波传递数值模拟示意图

    Figure  20.  Simulation of explosion source-cavitation layer-surface shock wave transmission

    图  21  流场压力图

    Figure  21.  Flow field pressure contour

    图  22  空化泡层体积变化

    Figure  22.  Variation of cavitation bubble layer volume

    图  23  板面应力波传递云图

    Figure  23.  Stress wave propagation contour on the plate surface

    图  24  空化泡层示意图

    Figure  24.  Cavitation bubble layer diagram

    图  25  冲击载荷作用下桨叶轴向位移

    Figure  25.  Axial displacement of blade under shock load

    图  26  相同攻角不同冲击因子下典型测点位移响应

    Figure  26.  Deflection response of typical measuring points under different shock factors at the same angle of attack

    图  27  冲击因子为1.3时不同攻角下不同测点塑性变形

    Figure  27.  Part of the plastic deformation cloud diagram when the shock factor is 1.3,

    表  1  螺旋桨材料参数

    Table  1.   Propeller material parameters

    密度/
    (kg∙m−3)
    杨氏模量/
    MPa
    泊松比 强度极限/
    MPa
    7600 1.17×105 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  螺旋桨有限值与计算值误差

    Table  3.   Error table of propeller experimental value and calculated value

    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
    数值实验 14.87 35.81 12.01 31.91
    经验公式 14.09 33.38 14.09 30.54
    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/($ {\mathrm{k}\mathrm{g}}^{\frac{1}{2}}\cdot \mathrm{m}^{-1} $) 工况 攻角/(°) 冲击因子/($ {\mathrm{k}\mathrm{g}}^{\frac{1}{2}}\cdot \mathrm{m}^{-1} $)
    100.49600.4
    20.7100.7
    31.0111.0
    41.3121.3
    5300.413900.4
    60.7140.7
    71.0151.0
    81.3161.3
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    表  5  不同尺寸网格数量表

    Table  5.   Table of mesh quantities for different sizes

    轴体尺寸/ mm桨叶尺寸/ mm网格数量
    20010023 343
    1608057 599
    10050153 536
    9045207 462
    8040302 294
    7035576 104
    6030654 490
    50251 105 909
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    表  6  不同攻角塑性损伤情况

    Table  6.   Plastic damage 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叶根局部塑性4.4%
    30叶根局部塑性4.2%
    60叶根整体塑性5.6%
    90叶根整体塑性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

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