2020-3-102-弹性螺旋桨流固耦合振动特性分析

修回日期：2019 - 04 - 14
网络首发时间：2019-10-24 15:13
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51609226）
作者简介：谈宇航，男，1995 年生，硕士生。研究方向：螺旋桨流固耦合及振动噪声。
彭伟才，男，1981 年生，博士，高级工程师。研究方向：舰船振动噪声。
*通信作者：谈宇航
shapes exchanges. The spectral analysis shows that the hydrodynamic axial thrust and torque are the main influence factors of the structural vibration response in the flow field，and they mainly cause the cantilever vibration of the propeller's first-order wet mode. On one blade，the structural response decreases from the tip to the leading edge and the middle of the blade，and then to the trailing edge，finally to the root. ［Conclusions］The study in this paper provides an approach to the fluid-structure interaction simulation of the elastic propeller in the flow field，and also lays the foundation for the analysis on the vibration noise
carried out to analyze the response characteristics by the results of the hydrodynamic performance and the wet mode. ［Results］ Compared with the steady uncoupling hydrodynamic results，the fluid-structure
TAN Yuhang*1，2，PENG Weicai1，2 1 National Key Laboratory on Ship Vibration and Noise，Wuhan 430064，China
2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China
另外，针对弹性桨在静水中的固有特性分析， Park 等［6］基 于 虚 拟 质 量 法 ，采 用 有 限 元 软 件 对 螺 旋 桨 叶 片 的 振 动 特 性 进 行 了 研 究 。 He 等［7］基 于 CFD/FEM 流固耦合分析方法，分析了复合材料螺 旋 桨 在 非 均 匀 流 中 的 水 弹 性 行 为 。 曲 飞 等［8］使 用 不同的方法对比分析了有限域液体附加质量对板 结 构 振 动 特 性 的 影 响 ，给 出 了 不 同 方 法 的 适 用 范 围 。 刘 强 等［9］基 于 虚 拟 质 量 法 分 析 了 附 连 水 质 量 对 螺 旋 桨 模 态 的 影 响 ，并 基 于 有 限 元 软 件 计 算 了 螺 旋 桨 在 空 气 中 和 水 中 的 固 有 模 态 ，表 明 螺 旋 桨 的固有频率在静水中比在空气中有大幅度的降低。 李家盛等 基 ［10］ 于有限元和面元法，分析了螺旋桨 侧斜角和来流速度对附加质量矩阵以及附加阻尼 矩阵的影响。
tow-way fluid-structure coupling hydrodynamic performance of the elastic propeller and to analyze the deformation and stress-strain response characteristics of the elastic propeller，and the ACT_Acoustic
coupling hydrodynamic calculations are closer to the open-water test regression formula. The natural
frequency of the first fifth order wet mode of the elastic propeller is much lower than the dry modal natural frequency，which decreases by 19%-37% ，and the relationship of the fourth and fifth dry-wet modal
早在 1996 年，Lin 等［1］就考虑到流固耦合的作 用，使用 VLM/FEM 流固耦合方法分析了螺旋桨的 水 动 力 性 能 。 之 后 ，Young［2］又 基 于 BEM/FEM 流 固 耦 合 方 法 ，考 虑 到 流 固 耦 合 和 非 均 匀 伴 流 的 影 响，对复合材料螺旋桨进行了分析。近年来，计算 流 体 力 学 发 展 迅 速 ，各 类 计 算 流 体 力 学 软 件 也 更 加成熟。张帅等［3］和曹峰等［4］使用 CFD/FEM 流固 耦合分析方法，基于 CFD 软件中流体载荷和结构 响 应 数 据 的 双 向 传 递 ，分 别 实 现 了 螺 旋 桨 双 向 流 固耦合数值模拟。张瑞等［5］基于 ACT_Transient 技 术，实现了螺旋桨瞬态单向耦合分析，并分析了侧 斜 角 变 化 对 结 构 振 动 特 性 的 影 响 。 目 前 ，国 内 主 要采用 CFD/FEM 流固耦合方法分析螺旋桨的水 动 力 性 能 和 结 构 响 应 ，但 在 螺 旋 桨 振 动 响 应 的 流 固耦合分析方面依然不够完善。
阶 干 湿 模 态 振 型 存 在 交 错 情 况 。 频 谱 分 析 结 果 表 明 ，水 动 力 轴 向 推 力 和 扭 矩 是 弹 性 螺 旋 桨 在 流 场 中 振 动 响 应
的主要影响因素，且主要引起弹性螺旋桨的一阶湿模态悬臂振动；桨叶面上，从叶梢处到导边和叶中部分，再到
随边部分，最后到叶根处，结构响应逐渐降低。［结论］所做研究可为弹性螺旋桨流固耦合计算分析提供方法途
of propeller in terms of the fluid-structure interaction. Key words：propeller；fluid-structure interaction；wet mode；spectral analysis
收稿日期：2019 - 03 - 04
第3期
谈宇航等：弹性螺旋桨流固耦合振动特性分析
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0引言
由 于 在 水 下 工 作 时 受 到 附 连 水 的 影 响 ，船 用 弹性螺旋桨（以下简称“弹性桨”）在水下的固有特 性与在空气中存在很大的不同；另外，在实际运转 时 ，不 均 匀 来 流 会 影 响 弹 性 桨 的 桨 叶 变 形 及 振 动 特性。而从实船螺旋桨振动噪声监控经验来看， 在 复 杂 流 场 环 境 下 ，螺 旋 桨 在 某 些 频 段 处 的 振 动 响应很大，会出现较强的共振，这一现象与流体结 构 间 的 耦 合 作 用 存 在 着 密 切 的 联 系 。 因 此 ，在 研 究 螺 旋 桨 振 动 特 性 时 ，考 虑 流 场 与 结 构 间 的 耦 合 作用十分必要。
1 流固耦合计算模型
本文考虑到弹性桨在流场中的流体与结构之 间的相互作用，基于 CFD/FEM 流固耦合方法建立 流 固 耦 合 计 算 模 型 ，并 采 用 计 算 流 体 力 学 软 件 CFX 和 ANSYS Mechanical 在 Workbench 平台上对 模 型 进 行 耦 合 求 解 ，实 现 螺 旋 桨 的 双 向 流 固 耦 合 计算。流固耦合计算模型由弹性螺旋桨模型和外 部流场模型组成，在耦合求解过程中，采用设置流 固耦合面的方式实现流体载荷与结构变形数据的 相互传递。
第 15 卷 第 3 期 2020 年 6 月
中国舰船研究 Chi中nese国Journ舰al of船Ship研Res究earch
Vol.15 No.3 Ju第n. 1250卷20
引用格式：谈宇航，彭伟才. 弹性螺旋桨流固耦合振动特性分析［J］. 中国舰船研究，2020，15（3）：102-110. TAN Y H，PENG W C. Analysis on the fluid-structure interaction vibration characteristics of the elastic propelle［r J］. Chinese Journal of Ship Research，2020，15（3）：102-110.
弹性螺旋桨流固耦合振动特性分析
谈宇航*1，2 ，彭伟才 1，2
1 船舶振动噪声重点实验室，湖北 武汉 430064 2 中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064
摘 要：［目的］研究弹性螺旋桨在水流中的振动响应特性。［方法］基于 CFD/FEM 流固耦合方法，利用 Work⁃
bench 平台中的 ANSYS-CFX 模块对螺旋桨进行双向流固耦合水动力求解，分析弹性螺旋桨变形及应力应变响
module was used to compute the wet mode of the elastic propeller taking into account of the influence of fluid-structure interaction on the inherent characteristics. The elastic propeller's spectral analysis was
径，也为螺旋桨流固耦合振动噪声分析打下了一定基础。
关键词：螺旋桨；流固耦合；湿模态；频谱分析
中图分类号：U664.33
文献标志码：A
DOI：10.19693/j.issn.1673-3185. 01540
Analysis on the fluid-structure interaction vibration characteristics of the elastic propeller
基于螺旋桨在来流和静水中的特性分析背 景，本文将采用 CFD/FEM 流固耦合方法建立弹性 桨 流 固 耦 合 计 算 模 型 ，基 于 ANSYS-CFX 模 块 进 行 弹 性 桨 在 来 流 下 的 双 向 流 固 耦 合 仿 真 计 算 ；并 考虑到流固耦合效应对弹性桨固有特性的影响，
分 析 其 在 静 水 中 的 固 有 模 态 ；结 合 流 固 耦 合 计 算 结果和弹性桨湿模态频率振型，对比频谱数据，分 析弹性桨在水流中的振动特性。
应特性；考虑到流固耦合对固有特性的影响，利用 ACT_Acoustic 模块计算桨叶湿模态，结合弹性螺旋桨固有特
性和流固耦合水动力结果进行弹性螺旋桨频谱分析。［结果］流固耦合水动力结果相较不考虑流固耦合的定常
计算结果更接近试验回归曲线；与干模态相比，弹性螺旋桨前 5 阶湿模态固有频率减小 19% ~ 37%，且四阶和五
Abstract：［Objectives］ In the flow field, vibration response characteristics of the elastic propeller are influenced by the interaction of the fluid and structure.［Methods］Based on the CFD/FEM fluid-structure interaction method，ANSYS-CFX modules on the Workbench platform were applied to simulate the