Метод расчета напряженно-деформированного состояния гребных винтов при работе их на режимах экстренного одерживания судна на основе современного программного обеспечения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Лук Дык Чинь

• Лук Дык Чинь
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Лук Дык Чинь

Введение

ГЛАВА 1. РАСЧЕТНЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ ГРЕБНЫХ ВИНТОВ

1.1. Общие замечания

1.2. Обзор результатов исследований в области прочности движителей

1.2.1. Методы и программы расчета напряженного состояния гребного винта

1.2.2. Методы определения нагрузок на лопастях ГВ

1.2.3. Некоторые результаты модельных и натурных испытаний

1.3. Динамическая прочность лопастей движителя в условиях реверса судна

1.3.1. Принцип физического моделирования напряженного состояния лопастей гребного винта

1.3.2. Влияние числа коши на прочность ГВ

1.3.3. Экспериментальное исследование напряженного состояния лопастей гребного винта

1.4. Обеспечение надежности лопастного движителя

1.4.1. Влияние геометрических характеристик лопастей на их напряженное состояние

1.4.2. Нормы прочности

Вывод главы

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННО ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГВ ПРИ РАБОТЕ ИХ НА РЕЖИМАХ РЕВЕРСИРОВАНИЯ

2.1. Общие сведения

2.2. Исходные данные и постановка задачи

2.3. Основные уравнения и формулы

2.3.1. Оценка длительности начального периода

2.3.2. Оценка длительности 2-го периода t2

2.4. Интегрирование уравнения реверса

Вывод главы

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГРЕБНЫХ ВИНТОВ СЛОЖНОЙ ГЕОМЕТРИИ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ РЕЖИМОВ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

3.1. Общое примечание

3.2. Анализ напряженного состояния ГВ

3.3. Напряженное состояние высокооборотных ГВ

Вывод главы

ГЛАВА 4. НОРМИРОВАНИЕ ОБЩЕЙ ПРОЧНОСТИ ГВ

4.1. Вводные замечания

4.2. Оценка статической и циклической прочности ГВ

4.3. Анализ напряженного состояния ГВ

4.4. Анализ расчетных данных

Вывод главы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. СХЕМА РАСЧЕТА ГРЕБГОГО ВИНТА С УЧЕТОМ ГИДРОУПРУГОСТИ

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. РАСЧЕТ ХОДКОСТИ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГРЕБНОГО ВИНТА

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод расчета напряженно-деформированного состояния гребных винтов при работе их на режимах экстренного одерживания судна на основе современного программного обеспечения»

Актуальность

Гребной винт (ГВ) является наиболее распространенным типом движителя кораблей и судов всех назначений. Он является достаточно эффективным средством, обеспечивающий ход судна, а также его маневрирование наряду с такими средствами управления как руль, подруливающие его устройства.

Вместе с тем, ГВ является одним из основных источников виброактивности и шумоизлучения, так как он при работе за корпусом судна в неравномерном потоке находится непосредственно в окружающей его среде и ничем от нее не изолирован. Это вынуждает проектантов проводить поиск геометрии ГВ не только с точки зрения его высокого КПД, но с точки зрения минимизации его виброактивности и шумоизлучения. Проведение такого поиска привели к усложнению геометрии лопастной системы корабельных движителей, выразившемуся в середине 70-х годов прошлого столетия в придании лопастям резко выраженной саблевидности и откидки из плоскости диска движителя. Реализация этих особенностей геометрии в ГВ в зависимости от неравномерности потока в месте его расположения за корпусом судна привела к существенному снижению виброактивности движителя, что, в свою очередь, благоприятно сказалось на обитаемости внутрисудовых помещений судна и на экологической обстановке окружающей водной среды при сохранении достаточно высокой его эффективности.

Наряду с этим, как показала практика эксплуатации таких ГВ сложной геометрии, их напряженное состояние существенно отличается от соответствующего состояния винтов традиционной геометрии. Сказанное особенно относится к таким режимам движения судна как экстренное одерживание его с полного переднего хода. Между тем режим экстренного реверса с полного переднего хода судна на задний ход входит в программу

сдаточных испытаний после постройки судна при передаче его Заказчику. Таким образом, усложнение геометрии ГВ, как правило, сопровождается понижением его надежности из-за особенностей напряженного состояния в том случае, если распределение толщин его несущих элементов (лопастей) принимается без учета его геометрии. Поэтому выбор толщины этих элементов ГВ сложной геометрии должен обязательно сопровождаться анализом напряженного состояния, включая движение судна в условиях реверсирования. Учет возникающего дополнительно напряженного состояния за счет усложнения геометрии ГВ путем выбора соответствующих коэффициентов запаса прочности, определяемых по переднему ходу судна при использовании известных нормативных документов, может оказаться не вполне корректным из-за гидроупругого деформирования лопастей и отсутствия к настоящему времени достаточных сведений о них. Таким образом, сказанное выше требует проведения сравнительных исследований о напряженном состоянии ГВ сложной геометрии, включая вопросы влияние деформации лопастей ГВ на ходовые качества судна в зависимости от частоты вращения движителя, а потому актуальность настоящей темы сомнений не вызывает.

Степень разработанности исследований

К настоящему времени имеются сведения о напряженно-деформированном состоянии ГВ сложной геометрии. Однако такие сведения относятся, главным образом, к движению судна на свободном ходу без возмущающих факторов, например, таких как влияние волнения, влияние маневрирование и т.д. Вместе с тем, влияние этих факторов относится, как правило, к судам, оснащенных ГВ традиционной конструкции. Сведения о них в достаточном многообразии изложены, например, в трудах А. А. Русецкого, Б.А. Бискупа [25,30,31,65]. Имеются также и другие исследования, относящиеся к этому вопросу. Однако исследований, проведенных с учетом динамики процесса, которые бы охватывали в той или иной степени весь процесс маневрирования до сих пор отсутствовал. В настоящей работе в

определенной степени произведен учет динамики процесса маневрирования судна на основе хорошо известных методов МКЭ и FLUENT. Использование этих методов позволило уточнить действительную картину напряженно -деформированного состояния и дать рекомендации с точки зрения повышения эксплуатационной надежности ГВ сложной геометрии.

Цели и задачи исследования

Целью работы является проведение исследований напряженного состояния ГВ сложной геометрии в широком диапазоне режимов движения судна, включая режимы его экстренного одерживания.

Для решения поставленной задачи необходимо было:

- апробировать программные комплексы Fluent и Ansys применительно к расчетам внешней нагрузки и напряженного состояния традиционного ГВ и винта сложной геометрии;

- провести систематические расчеты, построить диаграммы гидродинамических характеристик ГВ традиционной и сложной геометрий и по ним спроектировать ГВ применительно к быстроходному судну;

- выполнить расчеты ходкости выбранного судна и разработать метод расчета реверсивных характеристик судна с учетом гидроупругих эффектов движителей;

- выполнить анализ имеющихся материалов по рассматриваемому вопросу и материалов, полученных в ходе проведения настоящих исследований;

- сформулировать выводы по данному вопросу и подкрепить их эксклюзивными расчетами, входящих в круг рассматриваемого вопроса исследования.

Научная новизна

Впервые проведены расчеты, относящиеся к напряженно деформированному состоянию лопастей ГВ сложной геометрии на основе широко известных программ МКЭ и FLUENT. Выявлены особенности такого

состояния и получены данные, которым следует придерживаться при проектировании таких движителей к широкому классу судов. На основе этих программ расчета разработан новый метод, позволивший определять напряженное состояние по методу криволинейной балки и тем самым уточнить существующие коэффициенты запаса прочности для ГВ сложной геометрии.

Теоретическая значимость работы

В ходе проведения исследований на основе известных программных продуктов получено наиболее целесообразное количество КЭ и объем области среды, относящейся к расчетной области. Показана хорошая сходимость при проведении гидроупругих расчетов ГВ с учетом влияния числа Коши.

В настоящей работе оценено влияние упругости материала лопасти на ходовые и маневренные качества судна в различные периоды движения, что позволило разработать коэффициенты запасов прочности ГВ в зависимости от удельной нагрузки по мощности, перерабатываемой движителем.

Практическая значимость работы

Разработан метод оценки прочности напряженно - деформированного состояния и проведена сравнительная оценка с тем же состоянием, но относящегося к традиционному ГВ. Это позволило разработать численные значения коэффициентов прочности, учитывающих как геометрические аспекты геометрии ГВ, так и удельную мощность перерабатываемую движителем.

Методы исследования

Численные расчёты задач теории гидроупругости выполнены с использованием метода конечных элементов и программы FLUENT. В работе также использованы методы теории корабля при расчете ходовых и маневренных качеств судна.

Положения, выносимые на защиту

Метод оценки напряженно-деформированного состояния лопастей ГВ сложной геометрии на основе гидроупругого расчета при движении судна на прямом и реверсивном режиме.

Метод оценки прочности ГВ с использованием систематических данных, относящихся к широкому классу судов.

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность результатов, полученных в диссертации на основе программных комплексов ANSYS и FLUENT, подтверждена:

- аналитически на примере решения тестовой задачи криволинейной защемленной балки, нагруженной поперечной силой;

- путём демонстрации совпадения расчётных и экспериментальных результатов на примере решения задачи о модели ГВ сложной геометрии работающей в свободной воде.

Результаты, изложенные в диссертации, докладывались на всероссийских конференциях и конференциях с международным участием.

Публикации

Основные результаты работ отражены в научных публикациях; 5 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных Перечнем рецензируемых научных изданий ВАК:

1. Лук Д. Ч., Вишневский Л. И. Особенности напряженного состояния гребных винтов сложной геометрии на реверсивных режимах работы // Труды Крыловского государственного научного центра. 2019. № 389. С. 57-62.

2. Лук Д. Ч., Вишневский Л. И. Анализ напряженного состояния гребных винтов сложной геометрии в широком диапазоне режимов их эксплуатации // Морские интеллектуальные технологии. 2019. № 2. Т1. С. 26-30.

3. Вишневский Л. И., Фрумен А.И., Лук Д.Ч. Вопросы нормирования общей прочности гребного винта // Морские интеллектуальные технологии. 2019. № 4. Т1. С. 52-56.

4. Лук Д. Ч., Вишневский Л. И. Сравнительная оценка создаваемого тормозного усилия винтов изменяемого шага при реверсе судна // Труды Крыловского государственного научного центра. 2020. № 391. С. 76-84.

5. Лук Д. Ч., Тогуняц А.Р., Вишневский Л. И. Особенности реверсирования судов, оснащенного ГВ с разным контуром лопасти // Морской вестник. 2020. №2. С74-80.

6. Лук Д. Ч., Вишневский Л. И. Труды конференции «International Conference on Marine Robotics in Ocean Exploration», Санкт-Петербург, Росссия, 2019. С441-445.

7. Лук Д. Ч., Вишневский Л. И. Труды Международная конференция «военно-морской флот и судостроение в современных условиях», Санкт-Петербург, Росссия, 2021. С52-59.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертации обсуждались и докладывались на конференциях и семинарах:

- Доклад «Особенности напряженного состояния лопастной системы движителей роботизированного судна в условиях маневрирования» на конференции «International Conference on Marine Robotics in Ocean Exploration», 17-19 сентября, 2019, Санкт-Петербург, Росссия, Marinerobotics, 2019.

- Доклад «Сравнительный анализ реверсивных характеристик судна, оснащенного традиционным гребным винтом и винтом с саблевидными лопастями» на всероссийской конференции «Рождественские встречи: Современные проблемы гидродинамики», 24 декабря, 2019, Санкт-Петербург.

- Доклад «Об особенностях проектирования гребных винтов сложной геометрии применительно к судам различного назначения» на XI Международная конференция «военно-морской флот и судостроение в современных условиях» 24-25 июня, 2021, Санкт-Петербург.

Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 131 страницах, включает 74 рисунков и 14 таблицы. Работа состоит из введения, 4-х глав и заключения; список литературы включает 91 позиции.

ГЛАВА 1. РАСЧЕТНЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ ГРЕБНЫХ ВИНТОВ

1.1. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Под надежностью понимают такие свойства того или иного объекта, которые позволяют сохранять во времени значения всех параметров, обеспечивающих выполнение требуемых функций на заданных режимах его эксплуатации и технического обслуживания. Таким образом, в понятие надежности применительно к ГВ следует включать такую совокупность свойств как безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. Потеря полностью этих свойств или некоторых из них может привести к аварии корабля или, по крайней мере, к утрате им его спецификационных характеристик.

Надежность ГВ определяется рядом факторов и обеспечивается как уровнем технологии производства, так и условиями его эксплуатации. Во многом надежность ГВ зависит от напряженного состояния его материала, определяемого при заданной внешней нагрузке его геометрией.

1.2. ОБЗОР РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ

ПРОЧНОСТИ ДВИЖИТЕЛЕЙ

1.2.1. Методы и программы расчета напряженного состояния гребного винта

а) Методы балочные

Метод расчета напряжений по балочной теории был предложен Тейлором в 20-х годах прошлого столетия и развивался другими ученными. В балочной теории считают, что лопасть ГВ как стержень, защемленный одним из своих концов и от внешних сил определяются напряжения материала лопасти для цилиндрических сечений, спрямленных на плоскость [30,31,38].

Сравнение результатов между балочной теорией и более совершенным методам показало удовлетворительную точность, погрешность составляла не

более 20 - 25 % получаемых величин максимальных напряжений для ГВ с традиционными лопастями. С саблевидными лопастями, то удовлетворительные результаты по точности для величины максимальных напряжений получаются в том случае, если момент сопротивления сечения определяется не по цилиндрическому сечению, а по сечению, проходящему перпендикулярно средней линии лопасти на рассматриваемом радиусе и величина момента сопротивления, выбранного таким образом сечения, на заданном относительном радиусе близка к минимальной величине. Поэтому следует ожидать, что наибольшие деформации и напряжения при изгибе материал лопасти будет испытывать перпендикулярно этому сечению.

Недостатком балочной модели является то, что она не учитывает протяженности лопасти и распределение по ней нагрузки по хорде.

Во-первых, лопасть подвержена действию скручивающих моментов, обусловленных жесткой заделкой ее в ступице и неравномерностью распределения нагрузки по хорде. В результате этого лопасть находится в условиях стесненного кручения, действие которого из-за ее малого размаха распространяется на все ее сечения. Очевидно, что для ГВ с большой саблевидностью лопасти влияние отмеченного фактора может быть существенным.

Во-вторых, неравномерность распределения нагрузки и переменность толщины сечения вдоль хорды приводят к таким деформациям лопасти и распределению напряжений, при которых их максимальные значения наблюдаются вблизи выходящих кромок.

б) Методы, основанные на теории пластин

Сущностью такого метода является то, что если рассматривать лопасть в виде пластины переменной толщины произвольной формы в плане то можно учесть неравномерность распределения нагрузки и изменение жесткости по хорде лопасти при прогибы не превышают 20-30 % толщины пластины и

наименьший ее размер превосходит ее толщину не менее чем в 10 или более раз [35,36,51].

Впервые теорию пластины переменной толщины для ГВ применил Б.М. Терлецкий. Им были записаны известные соотношения и уравнение равновесия элемента пластины для случая переменной жесткости и представлены в конечно-разностной форме.

Недостатком метода является то, что дифференциальное уравнение равновесия пластины содержит производные от прогиба по координатам четвертого порядка и уравнение равновесия пластины составлено относительно неизвестной функции прогиба. Поэтому аппроксимация их конечно-разностными соотношениями крайне нежелательна с вычислительной точки зрения.

И так той метод не позволяет полностью учесть форму крученой лопасти. Отсутствие топологической гибкости привело к необходимости развития оболочечных методов, основанных на конечных разностях и конечных элементах (КЭ).

в) Конечно-разностные методы расчета

Такой численный метод решения дифференциальных уравнений, основанный на замене производных разностными схемами и он является сеточным методом [12,51,66,82].

Специалисты Казанского авиационного института использовали метод для решения задачи не одного дифференциального уравнения теории оболочек, а нескольких. Обычное решение таких задач состоит в сокращении числа уравнений за счет повышения их порядка и введения новых неизвестных функций. Но специалисты Казанского института упрощают решение путём понижением порядка решаемых уравнений и этот создает определенные преимущества при конечно-разностной их аппроксимации. Решаемые дифференциальные уравнения выведены в предположении справедливости

гипотез Кирхгоффа-Лява и физически выражают равновесие элемента оболочки.

Недостатки специалистов Казанского института состоят в том, что они не предусмотрены автоматическое задание поверхности лопасти, что затрудняет его использование и значительно сужает круг пользователей программой. Вместе с тем этот алгоритм имеет недостатки, присущие методу конечных разностей, состоящие в усложнении дифференциальных уравнений из-за переменной толщины лопасти и в приближенном учете граничных условий.

г) Методы, основанные на конечном элементе (МКЭ)

Метод конечных элементов - численный метод решения дифференциальных уравнений с частными производными, а также интегральных уравнений, возникающих при решении задач прикладной физики. Метод широко используется для решения задач механики деформируемого твёрдого тела, теплообмена, гидродинамики, электродинамики и топологической оптимизации [12,16,26,35,37,68].

Метод конечных элементов возник из необходимости новых путей решения задач строительной механики и теории упругости в 1930-х годах. Одними из основоположников идей, лежащих в основе МКЭ, считаются Александр Хренников и Рихард Курант. Их работы опубликованы в 1940-х годах. Впервые эффективность МКЭ была продемонстрирована в 1944 году Иоаннисом Аргирисом, который реализовал метод с применением ЭВМ.

Для анализа прочности ГВ то в МКЭ лопасть рассматривается в виде совокупности КЭ, соединенных между собой узлами. Из-за перемещения КЭ в дополнительно наложенных связях возникают узловые реакции. Из условия равновесия КЭ следует, чтобы в каждом узле возникающие в результате перемещения реакции были равны реакциям, возникающим вследствие действия внешних сил.

Таким образом, в МКЭ основная задача сводится к рассмотрению самого КЭ, а дальнейший расчет производится независимо от его формы и свойств,

определяющих его матрицу жесткости. Их точные значения приводят к точному решению задачи. В большинстве же случаев, поскольку удается определить коэффициенты жесткости только приближенно, получить точное решение задачи не представляется возможным.

д) Программы расчета напряженного состояния гребного винта

Специалистами СПбГМТУ (школа В.А. Постнова) разработана программа, в которой используется плоский оболочный треугольный элемент с 21-й степенью свободы. Положительным качеством элемента той программы является то, что треугольные КЭ имеют близкие по величине стороны даже при идеализации саблевидной лопасти. Это достигается тем, что КЭ строятся не по цилиндрическим сечениям. В результате матрица жесткости КЭ хорошо обусловлена, что приводит к устойчивым результатам расчета и обеспечивает их сходимость. Удовлетворительная точность достигается во всех случаях проведения расчетов при числе 150-160 КЭ.

Болгарская программа основана на восьмиузловом изопараметрическом элементе переменной толщины с 40 степенями свободы. При проведении по этой программе расчетов использовалось 200-250 КЭ. К числу ее недостатков следует отнести принцип разбивки лопасти на КЭ по цилиндрическим сечениям. В случае саблевидной лопасти периферийные КЭ получаются слишком вытянутыми, что приводит к разным по величине коэффициентам жесткости КЭ при его изгибе в различных направлениях. В результате матрица жесткости такого КЭ плохо обусловлена и не всегда обеспечивает надежное численное решение задачи.

В настоящее время геометрия ГВ изменилась и сильно усложнилась, у них больше лопастей и саблевидности, следовательно возникает большую деформацию на лопастях при работе ГВ. Испытание и анализ таких ГВ являются сложными, трудными и тратят много времени и денег [13,16,48,79].

Благодаря современного развития наук моделирование и оценка процесса работы ГВ со сложной геометрией можно выполнить на компьютерах, на

многих программных комплексах. Такими программными комплексами являются современные инженерные инструменты изучения и исследования в областях аэрогидродинамики. В них приведены возможности, технические особенности, области применения и различные публикации, учебники, сертификации данного программного комплекса. Все это способствует освоению и применению данного программного продукта. Все они являются вычислительными гидродинамиками (Computational Fluid Dynamics - CFD).

CFD - это вычислительный метод, построенный на основе комбинации численных схем и компьютерного моделирования для решения задач, связанных с движением, потока жидкости или газов вокруг объекта. Это новый метод исследования, который широко используется во многих областях для организации виртуальных экспериментов с помощью компьютера. Во многих случаях физическое моделирование может быть очень дорогое или оно не может быть проведено по ряду причин. По этому CFD играет очень важную роль и является эффективным инструментом исследования при решении технических проблем [22].

Основой любого исследования в области вычислительной гидродинамики является формулировка основных уравнений гидродинамики или газодинамики потоков, а именно: уравнения неразрывности; уравнения сохранения импульса; уравнение сохранения энергии; уравнение состояния. И существуют различные методы решения системы уравнений, например: метод конечных разностей; метод конечных объёмов; метод конечных элементов; метод сглаженных частиц; метод с использованием функции распределения вероятности [12,22].

ANSYS - универсальная программная система конечно-элементного анализа, существующая и развивающаяся на протяжении последних 30 лет. Программная система КЭ анализа ANSYS разрабатывается американской компанией Ansys Inc. и является довольно популярной у специалистов в сфере автоматических инженерных расчётов и КЭ решения многих задач, в том

числе есть задачи механики деформируемого твёрдого тела, механики конструкций и гидромеханики [21].

ANSYS FLUENT является одиним из многих модулей и считается удобным, отказоустойчивым инструментом, которым позволяет достигать высокой производительности труда. ANSYS FLUENT имеет широкую возможность моделирования течений жидкостей и газов и имеет сложные числовые отказоустойчивые решатели, которые позволяют получать точные результаты практически для любого течения. ANSYS постоянно устанавливает и предъявляет новые требования к моделированию турбулентности, предлагая инженерному сообществу широкий набор моделей. В ANSYS FLUENT доступны несколько распространенных k-e и k-ю моделей, модель турбулентных напряжений Рейнольдса для сильных вихревых или анизотропных потоков... они обеспечивают корректное моделирование турбулентности для любых видов течений [23].

Кроме ANSYS следует также добавить еще программы Open FOAM, FlowVision CFD, NX NASTRAN и.т.д. Особенностью этих программ является их универсальность, позволяющая анализировать напряженное состояние произвольных конструкций. Вместе с тем отсутствие у них блоков автоматической разбивки лопасти на КЭ сдерживает их применение.

Рис. 1.1. Имитационное моделирование работы ГВ в Ansys

Приведенные на рис. 1.2 данные показывают, что результаты расчета по различным методам находятся в пределах точности получаемых экспериментальных результатов. Они подтверждают также и то, что напряженное состояние лопастей создается главным образом изгибом.

Рис. 1.2. Сопоставление данных об относительной главной деформации на засасывающей поверхности саблевидной лопасти (г= 0,65):

результаты измерения на: о - силуминовой модели; А - баббитовой модели. результаты расчета по: ▲ МКЭ (СПбГМТУ); □ - балочной теории; ♦ - теории пластины;

V - с использованием КЭ с 9-ю степенями свободы.

1.2.2. Методы определения нагрузок на лопастях ГВ

Одной из главных проблем в оценке прочности ГВ является определение действующей на лопасть гидродинамической нагрузки и можно не считать центробежную силу из-за она очень мало влияет на создание напряженного состояния [34,35].

При определении гидродинамической составляющей необходимо правильно оценить попутный поток в районе расположения ГВ. Этот фактор важно при исполнении данных модельного эксперимента. Трудности, возникающие при пересчете подобных данных, составляют самостоятельную задачу и преодолеваются сегодня лишь весьма условно. Японские специалисты предлагают учитывать масштабный фактор только посредством изменения ширины попутного потока. Пересчет производится исходя из отношения толщин вытеснения пограничного слоя на концах пластин, у которых длины равны длинам модели и судна соответственно.

Для определения гидродинамической нагрузки существуют совершенные методы расчета, основанные на использовании вихревой теории [68,72,78,82]. Однако на практике зачастую применяют упрощенные методы, поскольку при анализе прочности ГВ требования, предъявляемые к точности расчета, не слишком жесткие. Сущность модификации заключается в том, что при определении мгновенной относительной поступи ГВ осевая и тангенциальная скорости попутного потока усредняются вдоль хорды лопасти, а форма распределения скоростей вдоль радиуса задается с весовым множителем и корректируется по результатам испытаний моделей ГВ в свободной воде с помощью вводимых в выражение коэффициентов. В результате достигается достаточная для практики точность. На проектировочном режиме гидродинамическую нагрузку распределяют по хорде лопасти равномерно, что соответствует условию ее безударного входа. На всех остальных режимах работы ГВ, соответствующих ходу судна прямым курсом, ее распределяют в соответствии с законом о распределении нагрузки на пластинке, находящейся в условиях ударного обтекания. Распределение нагрузки по лопасти может быть получено и путем восстановления ее по результатам измерения напряжений.

Возможность получения информации о напряженном состоянии лопастей ГВ судна, движущегося полным передним ходом, с помощью современных методов расчета не дает основания полагать, что надежность винта в процессе

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Лук Дык Чинь, 2021 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Abdul Mutalib S., Suresh S. Design and Analysis of Composite Marine Propeller using ANSYS WORK BENCH. IJSETR, Volume 4, Issue 9, September 2015 p.3224-3228.

2. Beck G.H.M. Calculation of Propeller Blade Stress and Comparison with Test Results, JSR. 1977, 24, №227.

3. Chintada Polayya, K.Samba Siva Rao. Modeling and fluent analys of b series marine propeller. International Journal Of Mechanical Design And Production Engineering. Vol.07, ISSUE.02, FEBRUARY-2017 IMPACT FACTOR:3.5

4. Daniel T. Valentine, Francis J. Dashnaw. Highly Skewed Propeller For San Clemente Class Ore/Bulk/Oil Carrier Design Considerations, Model and Full-Scale Evaluation, Proceedings of First Ship Technology and Resarch Symposium, Washington, D.C. 1975. Pp. 11-1-11-22.

5. Das H.N., Veerabhadra Rao P., Suryanarayana C., Kapuria S.. Effect of structural deformation on performance of marine propeller. Journal of maritime research. Vol. X. No. 3. 2013. P. 47-50

6. Edward V. Lewis. Principles Of Naval Architecture Vol II - Resistance Propulsion and Vibration. USA First Printing , Novermber, 1988.

7. Mitja Morgut, Enrico Nobile. Comparison of Hexa-Structured and Hybrid-Unstructured Meshing Approaches for Numerical Prediction of the Flow Around Marine Propellers. First international symposium on marine propulsors. Smp'09, trondheim, norway, june 2009. P. 244-250.

8. Hassan Ghassemi, Manouchehr Fadavie, Daniel Nematy. HydroStructure Analysis of Composite Marine Propeller under Pressure Hydrodynamic Loading. American Journal of Mechanical Engineering, 2015, Vol. 3, No. 2, 41-46

9. Hassan Ghassemi, Mohsen Taherinasab. Numerical calculations of the hydrodynamic performance of the contra-rotating propeller (CRP) for high speed vehicle. POLISH MARITIME RESEARCH 2(78) 2013 Vol 20; pp. 13-20.

10. Jaya Kishore. S, Siddeswara Rao B., Kumar Babu P.. FEM Analysis on Submarine Propeller Blade for Improved Efficiency by using Solid Works and

ANSYS-Workbench International Journal of Emerging Engineering Research and Technology Volume 3, Issue 11, November 2015, P 144-151

11. Jayaram Thumbe, Jyothish VM. Analysis of six bladed axial fan using ansys. IJERMS, ICAMS-2017. P.68-75

12. John D. Anderson, Jr. Computational Fluid Dynamics. The basics with applications. McGraw-Hill, Inc. 547p.

13. John P. Breslin, Poul Andersen. Hydrodynamics of ship propellers; Cambridge University Press 1994

14. Kingsley E. Madu; Malachy U.Orji; Anthony E. Uyaelumuo. Fluid structure interaction analysis of a micro-hydrokinetic turbine rotor blade. Research journal of mechanical operations. 2018, volume 1, no. (1): p. 10-23

15. Maimun A., Nakisa M., Najmi. Numerical Simulation of Propeller Hydrodynamic Performance of LNG Carrier in Open Water Using Fluent. The 6th Asia-Pacific Workshop on Marine Hydrodynamics (APHydro2012) Malaysia, September 3-4, 2012.

16. Pozrikidis C.. Fluid Dynamics Theory Computation And Numerical Simulation Kluwer 3rd 2017 p. 912.

17. Roren E.M.Q. h gp. Marine Propeller Blades Allowable Stress Cumulative Damage and Significance of Ship Surface Defects, JSR, 1973, 20, .№225

18. Tsakonas S., Jacobs W.R., Ali M.R. Blade Pressure Distribution for a moderately loaded propeller. Journal of Ship Research. vol. 27. №1. 1983.

19. Umeno M., Loki H. and Baba Stress Calculation Method and the Propeller Blades Applying the Unsteady Lifting Surface Theory. Transactions of Nippon Kaijoi Kyokai, 1979, №167

20. Yakovlev A. Calculation of propulsion Pod characteristics in off dealing operation conditions // Proceedings of first international symposium on marine propulsors. SMP'09, Royal Garden Hotel, Trondheim, Norway, 22-24 June 2009.

21. www.ans.com.ru

22. ru. wikip edia.org/wiki/BMHHC^HTe^bHaa_rngpogHHaMHKa

23. https://cae-expert.ru/product/ansys-fluent

24. Аврамов В.В. Численное моделирование напряженно-деформационного состояния гребного винта с учетом гидродинамической нагрузки. Международная научно-практическая конференция в честь 80-летнего юбилея профессора В.В. Козлякова. 2008. - с232-235.

25. Антоненко С.В. Судовые движители. Учеб. пособие. Владивосток: ДВГТУ, 2007. - 126с.

26. Ачкинадзе А.Ш. Автоматизированное проектирование пропульсивного комплекса морского транспортного судна. Учеб. пособие. СПб.: СПБГМТУ, 2000. - 75с.

27. Ашик В.В. Проектирование судов. Л.: Судостроение, 1985. - 320с.

28. Бавин В.Ф. Гребные винты. Современные методы расчета. Л.: Судостроение, 1983. - 296с.

29. Бакшт Ю.В., Русецкий А.А. Гребные винты регулируемого шага. Л.: Супромгиз, 1961. - 328с.

30. Басин А.М. Минионич И.Я. Теория и расчет гребных винтов. Л.: Супромгиз, 1963. - 760с.

31. Басин А.М. Ходкость и управляемость судов. Учеб. пособие. М.: транспорт, 1977. - 456с.

32. Бендус И.И. Теория, устройство судна и движители. Керчь.: КГМТУ, 2006. - 193с.

33. Биркгоф Г. Гидродинамика. Методы. Факты. Подобие. М.: Иностранная литература, 1963. - 246с.

34. Бискуп Б.А., Бушковский В.А. Оценка прочности гребных винтов с откидкой контура лопасти на режимах реверса. Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, вып. 8(292). СПб. 1998. C. 60 - 67.

35. Бискуп Б.А. Терлецкий Б.М. Никитин М.Н. Попов С.И. Прочность гребных винтов. Л.: Судостроение. 1973

36. Бронштейн Д.Я. Устройство и основы теории судна. Л.: Судостроение, 1988. - 336с.

37. Бронштейн Н.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. Издательство Наука. М. 1964.

38. Вишневский Л.И. К оценке и нормам общей прочности гребных винтов. Сб. Всесоюзная научно-техническая конференция по судовым движителям и системам управления. М. 1985.

39. Вишневский Л.И., Волков Е.А., Постнов В.А., Фрумен А.И. Использование современных расчетных методов для определения величины погрешности, допускаемой в оценке общей прочности гребного винта. Труды ЛКИ, Прочность новых типов транспортных судов, 1983, стр. 17-24

40. Вишневский Л.И., Лук Д.Ч. Анализ напряженного состояния гребных винтов сложной геометрии в широком диапазоне режимов их эксплуатации. Морские интеллектуальные технологии. 2019. № 2. Т1. С. 2630.

41. Вишневский Л.И., Лук Д.Ч. Особенности напряженного состояния гребных винтов сложной геометрии на реверсивных режимах работы. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019. № 389. С. 57-62.

42. Вишневский Л. И., Лук Д. Ч. Сравнительная оценка создаваемого тормозного усилия винтов изменяемого шага при реверсе судна. Труды Крыловского государственного научного центра. 2020. № 391. С. 76-84.

43. Вишневский Л. И., Лук Д. Ч. Труды международной конференции PAAMES, comparative analysis of the reverse characteristics of ship equipped with traditional and non-traditional propeller, 2020.

44. Вишневский Л.И., Тогуняц А.Р., Лук Д.Ч Особенности реверсирования судов, оснащенного ГВ с разным контуром лопасти. Морской вестник. 2020. №2. С74-80.

45. Вишневский Л. И., Фрумен А.И., Лук Д.Ч. Вопросы нормирования общей прочности гребного винта. Морские интеллектуальные технологии. 2019. № 4. Т1. С. 52-56.

46. Вишневский Л.И. Тогуняц А.Р. Корабельные лопастные движители. Новые технические решения, результаты исследований. СПб.: Судостроение, 2012. - 250с.

47. Вишневский Л.И., Егоров Г.В. Проектирование пропульсивного комплекса судна ограниченного района плавания на базе современных методов вычислительной гидродинамики Л.: Судостроение, 1983. - 304с.

48. Вишневский Л.И., Тогуняц А.Р. Гидродинамика корабельных лопастных движителей. Инновационные решения. СПб.: Судостроение, 2020. - 244с.

49. Войткунский Я.И. Сопротивление движению судов. Л.: Судостроение, 1988. - 288с.

50. Войткунский Я.И. и др. Гидромеханика. Л.: Судостроение, 1982. -456с.

51. Войткунский Я.И. Справочник по теории корабля: В 3-х томах. Т1. Л.: Судостроение, 1985. - 768с.

52. Горячев А.М. Устройство и основы теории морских судов. Л.: Судостроение, 1983. - 224с.

53. Гофман А.Д. Движительно - рулевой комплекс и маневрирование судна. Справочник. Л.: Судостроение, 1988. - 360с.

54. Конюхов А. В. Основы анализа конструкций в ANSYS. Казань. 2001. - 102с.

55. Король Ю.М. Корнелюк О.Н. Влияние лопастных и профильных характеристик на гидродинамическую эффективность гребных винтов. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70). стр. 80-88.

56. Костюков А.А. Взаимодействие тел, движущихся в жидкости. Л.: Судостроение, 1972. - 310с.

57. Котлович В.М. К вопросу о квазиреверсивных испытаниях судовых движителей в опытовом бассейне. Труды Крыловского государственного научного центра, вып. 389. 2019. с. 37 - 48.

58. Кравчук А. С и др. Лекции по ANSYS. 5 частей. Минск.: БГУ, 2013.

59. Крыжевич Г.Б. Гидроупругость конструкций судна, Санкт-Петербург, 2006.

60. Лаврищева Л.С., Новоселов В.Н. Оптимизация формы модели гребного винта в однородном потоке. Труды Крыловского государственного научного центра. 2018, специальный выпуск 1: 75-83.

61. Лобанов В .А. Численные оценки ледовых качеств гребных винтов. Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» №4 2012.

62. Лойцянкий Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Дрофа, 203. - 840с.

63. Мавлюдов М.А., Садовников Ю.М. и др. Движители быстроходных судов. Л., Судостроение. 1982. стр. 210.

64. Морозов Е.М. ANSYS в руках инженера. Механика разрушения. М.: Ленард, 2010. - 456с.

65. Наумова Н.В. Решение задач теории упругости и гидродинамики в пакете ansys. СПб.: СПбГУ, 2012. - 99с.

66. Новиков В.В. Динамика твердого тела. Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2014. - 44 с.

67. Ногид Л.М. проектирование судов выбор формы и мощности

68. Постнов В.А. Численные методы расчета судовых конструкций. Л.: Судостроение, 1977. - 280с.

69. Одинг К.А. Допускаемые напряжения в машиностроении и циклическая прочность металлов. М. Машгиз, 1962.

70. ОСТ 5 4050-72 Винты гребные. Методы оценки статической и циклической прочности лопастей и нормы запасов их прочности. Москва.

71. Пустошный А.В., Дарчиев Г.К. Развитие научной базы проектирования гребных винтов для транспортных судов ледовых классов. Труды Крыловского государственного научного центра. Т. 1, №2 387. 2019. С7-19.

72. Пустошный А.В., Бушковский В.А., Яковлев А.Ю. и др. Гидродинамические аспекты расчета прочности лопастей гребных винты комплексных движителей. Труды Крыловского научного центра, вып. 3 (337) стр. 123-130. 2019.

73. Роуч П. Вычислительная гидродинамика. М.: Мир, 1980 - 616с.

74. Русецкий А.А. Гидродинамика винтов регуляемого шага. Л.: Судостроение, 1968. - 214с.

75. Ряйсянен А.Г. Расчет движительного комплекса винтового судна. Хабаровск.: ТОГУ, 2010. - 44с.

76. Смирнов Е.М. Метод конечных объемов в приложении к задачам гидрогазодинамики и теплообмена в областях сложной геометрии. Научно технические ведомости СПбГПУ 2' 2004.

77. Сологаев В.И. Гидравлика (механика жидкости и газа). Омск.: СибАДИ, 2010. - 64с.

78. Таранов А.Е., Лобачев М.П. Определение гидродинамических характеристик моделей гребных винтов с учетом ламинарно-турбулентного перехода

79. Ткаченко И.В. Современные методы решения задач гидродинамики. СПб.: СПбГМТУ, 2014. - 59с.

80. Ткаченко И.В. Современные теории турбулентности. СПб.: СПбГМТУ, 2010. - 87с.

81. Турбал В.К. Проектирование обводов и движителей морских транспортных судов. Л.: Судостроение, 1983. - 304с.

82. Фабрикант Н.Я. Аэродинамика. М.: Наука, 1964. - 816с.

83. Федорова Н. Н., Вальгер С. А., Данилов М. Н., Захарова Ю. В. Основы работы в ANSYS 17. М.: ДМК Пресс, 2017. - 210 с.

84. Ханович И.Г. Теория корабля. Гидродинамика и сопротивление воды. Л.: Военно-морское, 1939. - 546с.

85. Хейфец Л.Л. - Гребные винты для катеров. Л.: Судостроение, 1980. - 200с.

86. Цуренко Ю. И. - Автоматизация проектирования пропульсивного комплекса. Северодвинск.: Севмашвтуза, 2009. - 112с.

87. Цуренко Ю.И. Гидромеханика гидравлика. Северодвинск.: Севмашвтуз, 2007. - 61 с.

88. Чижиумов С.Д. Основы гидродинамики. Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2007. - 106 с.

89. Яковлев А.Ю., Васильев Ю.М. Метод расчета экстренного торможения судна с помощью нескольких движителей различных типов. Труды Крыловского государственного научного центра. Вып. 90 (374). 2015. с. 27 - 38.

90. Яковлев А.Ю. Численное моделирование и проектирование новых типов движителей. Труды Крыловского государственного научного центра. №387. 2019. с. 32-50.

91. Половинкин В.Н., Вишневский Л. И., Лук Д. Ч. Об особенностях проектирования гребных винтов сложной геометрии применительно к судам различного назначения. Труды международной конференции КБК «военно-морской флот и судостроение в современных условиях» Санкт-Петербург. 2021. с. 52-59.