混流式喷水推进泵动叶轮、导叶体结构强度分析

论文摘要

近年来,世界各海军强国在不断加大对喷水推进技术的研究,喷水推进装置先后在各国海军的高速水面战斗舰艇、隐身舰艇、高速支援和补给舰艇、水雷战与反潜战舰艇及登陆舰艇上得到广泛应用,且从中小型趋向大型化、高效化和轻型化方向发展。混流式喷水推进装置是大功率喷水推进装置发展的主流方向,动叶轮和导叶体是设备的核心部件,其结构直接关系到设备运行的效率、安全性、可靠性及设备生产的经济性。目前,国内针对混流式喷水推进泵动叶轮、导叶体结构强度计算、分析和评价的方法尚缺少相应的标准或规范。本文以KaMeWa 71SII型喷水推进装置为研究对象,对其功率覆盖范围内的两个适用边界工况—2240kW和7000kW进行受力分析,分别采用工业陆用混流泵设计方法和挪威船级社高速轻型艇规范对动叶轮叶片进行了结构强度的校核分析,探讨了两种方法的优缺点。采用计算流体动力学(CFD)数值模拟方法对喷水推进泵叶轮处内部流场进行了分析,获得了叶片表面压力分布;分别以CFD数值计算载荷和经验公式估算平均载荷为输入,应用有限元计算方法对动叶轮叶片进行了结构强度分析,并探讨了两种载荷方式对分析结果的影响,提出了叶片结构改进的建议。应用有限元计算方法对导叶体进行了结构强度分析,结果表明:导叶体结构强度满足使用要求,与实船应用情况相符。最后,根据生产和有限元计算分析情况,对导叶体局部结构进行了改进设计,实船应用表明该改进设计是合理的,有利于提高产品的质量和生产效率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的工程需求和现实意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的工作
• 第二章 研究对象介绍
• 2.1 物理模型
• 2.2 载荷工况及受力分析
• 2.3 材料及特性
• 2.4 本章小结
• 第三章 现有强度校核方法
• 3.1 动叶轮强度校核
• 3.1.1 方法一：工业陆用泵校核方法
• 3.1.2 方法二：挪威船级社规范校核方法
• 3.1.3 相关参数对强度影响的敏感度分析
• 3.2 导叶体强度校核
• 3.3 本章小结
• 第四章 有限元方法强度校核
• 4.1 有限元方法基本原理
• 4.1.1 有限单元法的发展和基本思想
• 4.1.2 弹性力学基本方程（矩阵形式）
• 4.2 一般有限元程序
• 4.2.1 有限元程序的结构
• 4.2.2 有限元分析本体程序
• 4.2.3 有限元网格生成技术
• 4.2.4 有限元分析结果的显示
• 4.3 PRO/ENGINEER 程序系统
• 4.4 有限元结构强度分析
• 4.4.1 建立3D 几何模型
• 4.4.2 材料及物理特性的定义
• 4.4.3 载荷的确定
• 4.4.3.1 动叶轮叶片载荷的确定
• 4.4.3.1.1 估算均布平均载荷
• 4.4.3.1.2 CFD 数值计算获得载荷
• 4.4.3.2 导叶体载荷的确定
• 4.4.4 约束条件
• 4.4.5 网格划分与模型检查
• 4.4.6 有限元结构强度分析
• 4.4.6.1 结构应力云图、结构位移云图
• 4.4.6.2 结构强度校核及分析
• 4.4.6.2.1 载荷方式对强度校核的影响
• 4.4.6.2.2 安全系数探讨
• 4.4.7 本章小结
• 第五章 导叶体结构改进设计及应用情况
• 5.1 导叶体结构改进设计
• 5.2 有限元分析
• 5.3 应用情况
• 第六章 结论
• 6.1 主要结论
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文