一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析及支撑设计优化方法技术

一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析方法及支撑设计优化方法，首先，对船用螺旋桨设计模型三维图像文件进行预处理以及叶片分割，提取单个叶片以及与页片相连的桨毂图像；导入ANSYS软件中，进行网格划分；对螺旋桨下端面施加所有自由度约束和预紧力；进入模态求解模块，进行仿真获取无支撑的螺旋桨模态振型，对各模态中变形位移量最大的点进行支撑，确定首个支撑点的施加位置；重复仿真，进行支撑，直到各模态中变形位移量满足设计要求。本发明专利技术利用有限元分析软件ANSYS对船用螺旋桨进行模态振型分析，通过施加约束条件分析使用支撑时的模态变化，寻找优化的支撑方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析及支撑设计优化方法
本专利技术涉及大型船用螺旋桨有限元模态仿真领域，更具体的，涉及一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析及支撑优化设计方法。
技术介绍
计算机技术的发展，给人类解决工程问题带来了越来越多的便利。有限元分析的也逐渐扮演着越来越重要的角色，成为解决工程问题不可或缺的计算手段，与之应运而生有限元分析软件也多种多样。螺旋桨是舰船的主动力装置，其设计与制造精度直接决定舰船运行性能。目前，螺旋桨的设计技术我国已达到领先水平，但是加工制造技术还存在较大差距。我国对于船用螺旋桨现阶段的加工一直采用手工打磨的方式，其工作环境差，对工人的身体有很大损伤，并且效率低下，精度也难以控制。为了解决这一问题，我国一些学者正在研究利用机器人进行螺旋桨铣削加工的工艺系统，其具有较多的优势。研究发现，铣削加工中的振动一直是影响加工质量的主要因素，所以，针对螺旋桨的振动模态分析是研究的重点内容。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对螺旋桨的振动模态分析问题，提出这一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析及支撑设计优化方法。利用有限元分析软件ANSYS对船用螺旋桨进行模态振型分析，通过施加约束条件分析使用支撑时的模态变化，寻找优化的支撑方法。本专利技术的技术方案是：一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析方法及支撑设计优化方法，该方法包括下列步骤：(a)对船用螺旋桨设计模型三维图像文件进行预处理；(b)对预处理后的三维图像文件进行叶片分割，提取单个叶片以及与页片相连的桨毂图像；(c)将步骤(b)获取的三维图像文件导入ANSYS软件中，进行网格划分；(d)对螺旋桨下端面施加所有自由度约束；同时，对整个螺旋桨模型以重力作为预紧力施加载荷约束；(e)进入模态求解模块，设置模态频率阶数以及求解方法，进行仿真获取无支撑的螺旋桨模态振型，将振动位移最大的两阶振型中变形最大的位置作为首个支撑点，进行支撑；(f)重复步骤(e)的仿真，得到具有单个支撑的螺旋桨模态振型，再次获取各模态中变形位移量最大的点，进行进一步支撑，根据实际工况，重复上述支撑，完成支撑优化。进一步地，步骤(a)中预处理具体为：对船用螺旋桨设计模型三维图像文件进行删减，去除三维图像中的辅助面或线。进一步地，预处理还包括：对于螺旋桨模型叶梢部分未闭合曲线形成的尖角，选择同心圆柱面截取尖角部分，所述的同心圆柱面截圆直径小于螺旋桨直径9-11mm，优选10mm。进一步地，步骤(c)中，文件导入ANSYS软件后，选择10节点四面体solid187单元，对图像进行网格划分。进一步地，步骤(a)中将螺旋桨模型进行分割时，按螺旋桨结构的复杂程度将桨毂部分和叶片部分分割开来。进一步地，步骤(c)中，进行网格划分时，对桨毂部分和叶片部分分别设置较小单元和稍大单元。进一步地，步骤(d)中施加约束条件时，为了与实际工况相符合，设置下端面的六个自由度全部约束，根据实际不同的装夹工况能够进行相应的修改。进一步地，步骤(e)中，设置的模态频率阶数为10-15阶，优选15阶。进一步地，步骤(e)中，求解方法采用BOLCKLANCZOS方法。进一步地，步骤(f)中，根据实际的工况，使振动位移最大振型的全局变形相比未支撑优化20％以上；或者，使振动位移最大振型的最大变形减小20％，完成优化。本专利技术的有益效果：本专利技术选取的船用螺旋桨的模态频率主要是为了避免在加工过程中因周期切削力的激励而产生共振，进而影响加工质量，所以采用支撑的方式减小振动和变形。根据本专利技术所产生的支撑位置，采用千斤顶末端放置曲面橡皮，或者采用万向节加橡皮垫圈的形式，使螺旋桨曲面受力均匀，能够有效降低废品率，提高产品质量。本专利技术选取支撑点位置为优化设计变量，单个叶片对应模态频率的最大振幅为优化目标变量，通过选取不同位置的支撑结果进行对比，得到模态频率最合适，振幅最小的支撑位置。本专利技术的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。附图说明通过结合附图对本专利技术示例性实施方式进行更详细的描述，本专利技术的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本专利技术示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。图1是按照本专利技术的实施例所构建的螺旋桨模型处理示意图；图2是按照本专利技术的实施例所构建的单叶片网格划分示意图；图3是按照本专利技术的实施例所构建的初始支撑点位置布置示意图；图4是按照本专利技术的实施例所构建的最终优化效果示意图。具体实施方式下面将参照附图更详细地描述本专利技术的优选实施方式。虽然附图中显示了本专利技术的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本专利技术而不应被这里阐述的实施方式所限制。一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析方法及支撑设计优化方法，该方法包括下列步骤：(a)对船用螺旋桨设计模型三维图像文件进行预处理，包括：首先、对船用螺旋桨设计模型三维图像文件进行删减，按螺旋桨结构的复杂程度将桨毂部分和叶片部分分割开来，再去除三维图像中的辅助面或线；其次、对于螺旋桨模型叶梢部分未闭合曲线形成的尖角，选择同心圆柱面截取尖角部分，所述的同心圆柱面截圆直径小于螺旋桨直径9-11mm，优选10mm。(b)对预处理后的三维图像文件进行叶片分割，提取单个叶片以及与页片相连的桨毂图像；(c)将步骤(b)获取的三维图像文件导入ANSYS软件中，选择10节点四面体solid187单元，对图像进行网格划分；进行网格划分时，对桨毂部分和叶片部分分别设置较小单元和稍大单元。(d)对螺旋桨下端面施加所有自由度约束(根据实际不同的装夹工况能够进行相应的修改)；同时，对整个螺旋桨模型以重力作为预紧力施加载荷约束。(e)进入模态求解模块，设置模态频率阶数以及求解方法，模态频率阶数为10-15阶，优选15阶，求解方法采用BOLCKLANCZOS方法；进行仿真获取无支撑的螺旋桨模态振型，将振动位移最大的两阶振型中变形最大的位置作为首个支撑点，进行支撑。(f)重复步骤(e)的仿真，得到具有单个支撑的螺旋桨模态振型，再次获取各模态中变形位移量最大的点，进行进一步支撑，根据实际工况，重复上述支撑，完成支撑优化。根据实际的工况，对于抑制振动要求较高的工况，使振动位移最大振型的全局变形相比未支撑优化20％以上；对于振动抑制要求不高的工况，使振动位移最大振型的最大变形减小20％。具体实施时：如图1所示，对船用螺旋桨设计模型prt文件进行预处理，由于在设计模型的过程中残留有很多辅助面或线，为提高准确性首先对模型文件进行删减操作。分析实例螺旋桨的设计模型，直径3300mm，在叶梢位置由于建模方法的原因，存留有没有闭合的曲线，对后续有限元的网格划分会带来影响，所以，利用一直径为3290mm的同心圆柱面截取设计模型，截去叶梢的尖角部分。另外多叶片同时分析时会产生与叶片数量相等的近似频率，影响结果分析，所以只保留一个叶片，同时对单个叶片进行分割，供网格划分时划分不同单元大小，最后导出x_t文件。如图2所示，将x_t文件导入ANSYS软件中，设置船用螺旋桨材料参数，采用10节点四面体solid187单元，对设置不同大小单元进行网格划分。对螺旋桨下端面施加所有自由度约束(根据实际不同的装夹工况能够进行相应的修改)，同时对螺旋桨整体施加重力加速度，将重力作为螺旋桨模态分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析方法及支撑设计优化方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(a)对船用螺旋桨设计模型三维图像文件进行预处理；(b)对预处理后的三维图像文件进行叶片分割，提取单个叶片以及与页片相连的桨毂图像；(c)将步骤(b)获取的三维图像文件导入ANSYS软件中，进行网格划分；(d)对螺旋桨下端面施加所有自由度约束；同时，对整个螺旋桨模型以重力作为预紧力施加载荷约束；(e)进入模态求解模块，设置模态频率阶数以及求解方法，进行仿真获取无支撑的螺旋桨模态振型，将振动位移最大的两阶振型中变形最大的位置作为首个支撑点，进行支撑；(f)重复步骤(e)的仿真，得到具有单个支撑的螺旋桨模态振型，再次获取各模态中变形位移量最大的点，进行进一步支撑，根据实际工况，重复上述支撑，完成支撑优化。

【技术特征摘要】
1.一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析方法及支撑设计优化方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(a)对船用螺旋桨设计模型三维图像文件进行预处理；(b)对预处理后的三维图像文件进行叶片分割，提取单个叶片以及与页片相连的桨毂图像；(c)将步骤(b)获取的三维图像文件导入ANSYS软件中，进行网格划分；(d)对螺旋桨下端面施加所有自由度约束；同时，对整个螺旋桨模型以重力作为预紧力施加载荷约束；(e)进入模态求解模块，设置模态频率阶数以及求解方法，进行仿真获取无支撑的螺旋桨模态振型，将振动位移最大的两阶振型中变形最大的位置作为首个支撑点，进行支撑；(f)重复步骤(e)的仿真，得到具有单个支撑的螺旋桨模态振型，再次获取各模态中变形位移量最大的点，进行进一步支撑，根据实际工况，重复上述支撑，完成支撑优化。2.如权利要求1所述的一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析及支撑设计优化方法，其特征在于步骤(a)中预处理具体为：对船用螺旋桨设计模型三维图像文件进行删减，去除三维图像中的辅助面或线。3.如权利要求2所述的一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析及支撑设计优化方法，其特征在于预处理还包括：对于螺旋桨模型叶梢部分未闭合曲线形成的尖角，选择同心圆柱面截取尖角部分，所述的同心圆柱面截圆直径小于螺旋桨直径9-11mm，优选10mm。4.如权利要求1所述的一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析及支撑设计优化方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜鹏，常江，柳德君，皮志达，高天，
申请(专利权)人：南京高精船用设备有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32