螺旋桨叶频激振力的反推.docx

螺旋桨叶频激振力的反推 1 船泊设计中的脉动压力和表面力 船上的有害振动约为70%，由螺旋桨激励引起。船舶尾部振动与螺旋桨激振力密切相关；船尾的不均匀伴流场和变空泡的产生是激振力剧增的关键所在，因此研究螺旋桨激振力有着很重要的意义。 国内外的专家学者对螺旋桨激振力坚持不懈地深入研究，到目前为止国内外对螺旋桨激振力的预报方法主要有以下几种： (1）理论计算方法，包括加速度势法和非定常螺旋桨升力面理论数值处理方法。前者是一种无空泡条件下非定常螺旋桨升力面理论，后者是麻省理工学院中克尔温等人致力于非定常螺旋桨升力面理论数值处理方法的发展工作，同期间韩国学者还将这种方法推广到空泡螺旋桨，从而提供了计算非定常空泡螺旋桨性能的可能性。 (2）近似算法，主要有中国船级社CB/Z方法、约翰逊（Johnsson）方法、莱纳尔斯（Leenaars）和福布斯（Forbes）方法、霍尔特洛泼（Holtrop）方法、巴巴也夫公式、沃勒斯（Vorus）方法、挪威船级社（DNV）方法、日本谷口中—高桥肇方法、藤野方法、О.М.帕利等编写的《船舶结构力学手册》中的方法等，这些算法基于一定数量的实船试验和模型试验的测试数据，用统计方法或一定的理论分析归纳了相应的公式或图表，常用于船舶设计初期预估船体表面上螺旋桨诱导的脉动压力或表面力。下面详细地介绍几种经验公式的近似算法： (1)挪威船级社（DNV）方法：无空泡时有空泡时 (2)谷口中—高桥肇方法： (3)藤野方法： (4)О.М.帕利等编写的《船舶结构力学手册》中的方法： 以上各公式中： △Pz—螺旋桨诱导的脉动压力叶频分量合成幅值，Pa；△P—无空泡螺旋桨诱导的脉动压力叶频分量幅值，Pa；△Pc—空泡螺旋桨诱导的脉动压力叶频分量幅值，Pa;N—螺旋桨转速，r/min;D—螺旋桨直径，m;Z—桨叶数；R—螺旋桨半径，m;Vs—船速，m/s;ha—桨轴沉深，m;ds—当桨叶位于正上方位置时，从0.9R处量到桨叶正上方处浸入水中船壳板上的点的距离，m;K0—系数，当ds/R≤2时，K0=1.8+0.4ds/R，当ds/R2时，K0=2.8;Kc—系数，当ds/R1时，Kc=1.7-0.7ds/R，当ds/R≥1时，Kc=1.0;Wa max—轴向最大伴流分数；We—平均轴向实效伴流分数；SHP—轴马力，hp;G—与叶梢间隙比t/D和叶数Z有关的系数；t—叶梢到船壳距离，m;K—在由脉动压力沿表面求积分力时，考虑到各点压力幅值和分布相位的不同所加的系数；F—船体表面力，N;Kcav—空泡引起的脉动压力增幅系数，与空泡数和推力系数有关；C0—螺旋桨轴心到外壳板的距离，m;Ke—系数，Ke=1.44+0.4*C0/R。 (3）试验方法，螺旋桨在空泡水筒中进行的脉动压力试验及螺旋桨激振力实船试验。 在上述研究的基础上，本文提出了计算空泡螺旋桨诱导的船体表面力的新公式。 2 已知船舶尾振动速度的反推螺旋叶片频率的激励作用 2.1 船舶尾点振动速度的计算 船体结构振动的动力方程为： 其中：、都是n阶方阵，分别表示离散体结构的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵。、分别表示离散化节点的加速度、速度、位移及所作用的外力矢量。 本文是在已知船体质量、刚度和阻尼的情况下，假定激振力作用在螺旋桨上方的船体上，用wilson-θ法计算出尾端点振动速度值，并基于线性振动理论，再根据实船实测的尾端点振动速度，按照公式（2）反推出实际船体所受的激振力大小。该方法按图1关系进行。 在主机常用转速下，假定叶频激振力F1为200000N作用在桨盘上方的船体梁上，用wilson-θ法编程计算求出尾端点振动速度V1，再根据实船实测尾端点振动速度V2，反推出螺旋桨的激振力F2。具体计算公式见（2）式。 其中：F1为给定的螺旋桨叶频激励，N;V1为在F1作用下计算出的船舶尾端点垂向振动速度响应值，mm/s;V2为实船测得的尾端点叶频激励下的振动速度值，mm/s;F2为推出的螺旋桨叶频激振力，N。 2.2 计算结果及分析 将以上5种方法的计算结果绘成柱状图如下（见图2-5）：图中方法1为挪威船级社（DNV）方法的计算结果，方法2为谷口中—高桥肇方法的计算结果，方法3为藤野方法的计算结果，方法4为О.М.帕利等编写的《船舶结构力学手册》中方法的计算结果，方法5为本文反推方法的计算结果。 如图2-5所示，根据实测数据反推的真实激振力在各预报方法得到的结果之间，可用于推导船体表面力。 3 由螺旋桨诱导的船体表面力公式为 3.1 空泡法制备出具有实际应用能力的空泡表面力公式 螺旋桨诱导的表面力是作用在船壳外表面上的脉动压力沿其船体外表面积分得到的。而螺旋桨产生的脉动压力大小主要取决于尾部伴流场和螺旋桨主要参数。无空泡螺旋桨产生的脉动压力大小取决于桨叶上水动力负荷、桨叶厚度