船用螺旋桨自动化建模与仿真

船用螺旋桨自动化建模与仿真

建立完整的螺旋桨元模型是分析限制强度和定制疲劳的基础。如何快速建模螺旋是提高螺旋设计和分析效率的一项重要技术。国内已有不少学者对螺旋桨的三维造型方法及其关键技术进行了研究,所用的三维模型设计软件主要有Pro/E,UGNX,MDT等。大部分学者采用的方法是在商用CAD/CAE/CAM软件上进行二次开发,并已取得了一些成果,但螺旋桨几何建模和网格划分的过程还未完全实现通用化、自动化。MSC.Patran是工业领域著名的有限元前后处理器,利用其提供的强大的二次开发语言PCL(PATRANCommandLanguage),能根据客户的要求定制一系列特定功能,并取得了巨大的成功。结合PCL开发出的高度自动化的系统,非常适合那些没有太多分析经验、而在产品设计过程中需要反复分析某个特定任务的工程师,是在短时间之内提高螺旋桨设计分析效率的有效途经。为了避免传统手工建模中复杂和重复的工作,进一步提高船用螺旋桨设计分析效率,本文针对船用螺旋桨的结构特点,结合PCL二次开发技术,开发了1套船用螺旋桨自动化建模软件,实现了几何建模和网格划分过程完全自动化。1voronoi图的条件设{Pi}ni=1i=1n为欧几里德平面上的1个点集(见图1),满足Voronoi图的条件:当{Pi}ni=1i=1n为非共线点集时,若图中Pi和Pj有公共边,连接这2点。以此类推遍历这n个点,得到1个惟一确定的网格,称之为Delaunay三角网格。它的2个重要特征如下:1空的特征2内角的最大特征是2自动几何建模2.1旋桨形状的参数化建模相对常规的船体结构而言,螺旋桨是一种较为复杂的不规则空间几何体。在螺旋桨图纸中,螺旋桨形状是以投影、叶面伸张轮廓图等平面几何形式给出,需要分析这些平面几何参数,并定义1个通用的标准格式的型值表,为螺旋桨参数化建模做准备。常规的船用螺旋桨由桨叶和桨毂2部分组成。本文将型值表中的参数分为桨叶参数、桨毂参数和其他参数3类,如表1～3所示。2.2螺旋几何建模要实现螺旋桨几何建模,需要充分理解螺旋桨绘图方法,并将螺旋桨平面几何参数换算到空间。下面以右旋桨为例,给出将型值参数换算成空间型值点坐标的公式。以中线和桨毂中心线交点O为原点建立圆柱坐标系(R,θ,z),如图2所示。其中Z轴沿桨毂中心线指向叶面一侧,R即半径方向,θ以垂直向上为起点,并与Z轴满足右手螺旋法则。当1个R=r的圆柱面与螺旋桨叶片相交,得到1个弯曲剖面,如图3所示。其中,A′为剖面与随边的交点,B′为剖面中心点,C′为剖面与导边的交点,锐角φ为螺距角,由tanφ=P2πrtanφ=Ρ2πr决定。对于从导边量起距离为ξ、叶背型值为η的任意型值点F的坐标(R,θ,z)计算公式为:式中:LL为半径r处的叶剖面导边到中心线的距离;Rake为半径r处的叶剖面纵倾值。这里规定,当型值点位于叶背一侧时η取正值,否则取负值,并规定纵倾值Rake偏于叶背方向时为正,反之为负。螺旋桨几何建模需要做到几何模型能表现叶片的曲线几何形状和厚度变化以及叶根处圆角的几何形状。本文在手工几何建模过程的基础上,结合PCL二次开发技术,提出如下自动化几何建模流程:Step1根据型值参数换算出空间型值点坐标,在Patran中建立圆柱坐标系,并绘制出空间型值点(图4(a))。Step2利用样条曲线LoftSpline等方法连接各型值点,生成叶剖面曲线和桨毂曲线(图4(b))。Step3利用放样曲面等方法连接各叶剖面曲线,生成叶片曲面和桨毂曲面。Step4在满足叶根处圆角半径条件下,通过光顺处理连接叶片曲面和桨毂曲面,生成最终的几何模型(图4(c))。至此即完成螺旋桨的几何建模。需要说明的是,由于本文是在曲面基础上划分三角形面网格,并利用三角形面网格生成四面体网格,因此几何建模不需要建出几何体。2.3叶根处圆弧曲线在满足叶根处圆角半径RJ的条件下,保证桨叶和桨毂连接处的光顺,是几何建模的关键点之一。假设型值表中给出了NR(NR>3)个剖面数据,各剖面处半径从小到大依次为r1,r2,…,rNR,本文将选用r1,r2,r3处3个剖面来做光顺处理。下面描述叶面方向的叶根处光顺处理过程,叶背与叶面方法完全一样。Step1作r1处叶剖面最大厚度点到叶背叶面曲线的垂线,利用2个垂点和圆柱坐标系的原点作平面1。Step2作平面1与r2和r3处2个剖面曲线的交点,利用样条曲线LoftSpline连接Step1中的垂点及r2和r3处的交点,生成曲线Curve1。作平面1与桨毂面的交线Curve2。Step3延长Curve1,并分别将Curve1和Curve2平移RJ,得到交点。以该交点为圆心、以RJ为半径作与桨毂面相切的圆,得到桨毂上叶面方向的切点,然后通过曲线截断和连接等方法得到叶根处圆弧曲线(图5(a))。Step4分别延长叶面方向的随边和导边到桨毂,得到桨毂面上随边和导边处2个交点。以这2交点作为起始点,过Step3中桨毂面上的切点作样条曲线,并投影到桨毂面上。Step5利用Step4得到的桨毂面上的曲线、Step3得到的叶根处圆弧曲线、r1处剖面曲线以及随边或导边曲线,创建2个曲面,并将它们合并,生成完整的叶根处曲面(图5(b))。3网格的自动分割3.1单元形状良好为了能保证应力计算结果有充分的精确度,为后续的极限强度分析和疲劳评估提供可靠的应力结果,螺旋桨网格划分有以下要求:采用4节点四面体形的空间体单元,叶片最薄区域沿叶片厚度方向至少划分2个体单元,并且保持单元形状良好。本文在手工网格划分过程的基础上,集成专家的经验,提出如下自动化网格划分流程:Step1删除模型中已有的单元、节点和MeshSeeds。Step2利用Create/MeshSeed/CurveBased方法创建MeshSeeds,并利用Create/Mesh/Surface方法创建3节点三角形面网格。Step3检查网格质量,用删除和修补的方法优化三角网格(图6(a))。Step4调整单元法线方向,使所有单元的法向统一指向螺旋桨内部。Step5利用Create/Mesh/Solid方法,并选择3节点三角形面网格,创建4节点四面体网格(图6(b))。3.2角网格内角优化为了保证应力计算结果的精度,加快求解速度,有必要对三角形面网格进行优化,确保根据面网格生成的四面体网格有较高的质量。本文检查三角网格质量的标准为:①三角网格细长比应小于5;②三角网格内角应大于15°。对不符合质量要求的三角网格使用“先删除,再修补”的方法进行优化,即先删除不满足要求的网格,再对缝隙进行修补,以达到优化网格的目的。对于不符合标准①的网格使用图7(a)所示的方法先删除细长比小于5的单元,再合并节点。对于不符合标准②的网格使用图7(b)所示的方法先删除网格内角过大的单元形成1个3个点的缝隙,再删除与该缝隙中的最大边emax相关的单元Elmemax形成1个4个点的缝隙,连接原Elmemax的第三点和不在emax边的第三点生成2个三角网格。4计算4.1桨叶的正转撞击载荷以某冰区加强螺旋桨为例,自动建立有限元模型。该螺旋桨为4叶桨,直径为6200mm,其中半径为800mm处的几何参数和剖面分布如表4和表5所示。模型中只需建出1片桨叶,因为载荷源自于螺旋桨和冰相互作用的情况,它并非同时作用于每个叶片,计算中只需将载荷施加于某一叶片。有限元模型中四面体单元数为428245,节点数为82567。螺旋桨材料主要采用镍铝青铜(NiAlBronze)。在垂直于叶背表面方向上,对从0.6R到叶稍并从导边延伸0.2倍弦长的区域,均匀施加压力,压力大小为螺旋桨叶片最大向后受力Fb,即船舶寿命期内螺旋桨正转撞击冰块时桨叶受到的最大向后弯曲力。边界条件为仅约束桨毂与桨轴接触面上的所有节点线位移。4.2求解器静力计算根据上述载荷工况和边界条件,将螺旋桨有限元模型提交给MSC.Nastran求解器进行静力计算,应力云图如图8所示。该云图较好地反映了螺旋桨结构的复合三维应力状态,在靠近叶片根部区域几何形状迅速变化的地方局部峰值应力具有良好的准确性,为后续的极限强度分析和疲劳评估提供了可靠的应力结果。5螺旋建模和计算本文在Patran平台上开发了1套螺旋桨自动化建模软件,对船用螺旋桨自动化建模和网格划分技术进行了研究,并对某冰区加强螺旋桨进行了建模和计算。1)定义了螺旋桨建模的型值表标准格式,型值表中的参数能完全满足建模的需要。2)对螺旋桨自动化建模进行了研究,提出了叶根处光顺处理方法以及螺旋桨几何建模和网格划分的自动化方法,避免了传统手工建模过程中大量重复的工作,提高了螺旋桨的设计