基于流固耦合的减摇鳍鳍翼力学性能分析研究 彭（１．海军驻第七。四所军事代表室，上海杉 ，杨 奕 ２０００３１；２．中船重工第七。四研究所，上海２０００３１） 摘要：采用Ｆｌｕｅｎｔ和有限元软件Ａｎｓｙｓ对某鳍翼外部流场和结构响应进行了流固耦合分析，其中 流场计算采用 ∞湍流模型和ＲＡＮＳ方程，结构计算采用弹性力学结构力学方程。通过变形和应力分布 表明：在流固耦合作用下，鳍翼最大位移发生在翼梢部，鳍翼根部接触处存在明显应力集中现象。 关键词：减摇鳍；有限元；流固耦合 中图分类号：Ｕ６６４．７ 文献标志码：Ａ ＤＯＩ：１０．１６４４３／ｊ．ｃｎｋｉ．３１—１４２０．２０１６．０１．００５ Ｒｅｓｅａｒｃｈ＆Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ Ｆｉｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｌｕｉｄ．Ｓｏｌｉｄ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉ０ｎ ＰＥＮＧ Ｓｈａｈ，ＹＡＮＧ Ｙｉ （１．Ｎａｖｙ Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ Ｏｆｉｃｅ ｆａｔ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｎｏ．７０４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００３ １，Ｃｈｉｎａ；２．Ｎｏ．７０４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｕｔｔｅ，ＣＳＩＣ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００３ １，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｌｕｅｎｔ ａｎｄ ＡＮｓＹＳ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆａ ｃｅｒｔａｉｎ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒｔＴｎ．Ｔｈｅ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆｋ－ｃｏ ａｎｄｔｈｅ ＲＡＮｓ ｅｑｕａｔｉｏｎ ａｒｅ ｕｓｅｄｔｏ ｃａｌｃｕｌａｌｅ ｔｈｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ／ｌｏｗ．Ｔｈｅ ｅｌａｓｔｉｃ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｘｉｍａｌ ｃ￣ｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ ｏｃｃｕｒｒｅｄ ｉｎ ｎ ｆ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅｆｌｕｉｄ－ｓｏｌｉｄ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｅｆｅｃｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｃｃｕｒｒｅｄａｔｔｈｅ ｃｏｎｔａｃｔｐｌａｃｅｏ）ｆｔＴｎ ｒｏｏｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｉｎ，ＦＥＭ；ｆｌｕｉｄ－ｓｏｌｉｄ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ０引言 船舶在波浪的作用下会不可避免地发生摇摆，摇摆 包括横摇、纵摇和艏摇。摇摆会对船舶产生一系列有害 影响，对于常用的单体式船舶，横摇运动最为激烈，对 船舶带来的不利影响也最严重。减摇鳍是以减小船舶横 体压力分布是不规则、不均匀的，开展鳍翼自身结构 优化，需要准确将鳍翼表面受到的压力分布作为输入 条件，施加于结构优化计算中，才能得到正确的结构 优化设计结果。在数值计算方法上，需要将流体仿真 计算和固体结构仿真计算联合应用来进行，即采用流 固耦合计算技术来开展，这是根本解决鳍翼结构优化 问题的关键技术。鳍翼的流固耦合考虑了水流对鳍翼 的作用，鳍翼在水流作用下会产生变形，对减摇鳍的 结构产生一定影响。因鳍翼为钢结构，适用于结构变 形不足以显著改变流场的情况，可考虑仅将流体计算 摇为目的的特种装 ”，被广泛用于横摇减摇。 减摇鳍的工作原理是利用鳍翼的流体升力提供的 减摇力矩来抵抗波浪的扰动力矩，从而减小船舶横摇 的幅 。改进鳍翼的结构重量，提升产品性能，需要 对鳍翼进行结构优化，潘晋【３】等分析了应用有限元法研 究减摇鳍结构强度的可行性。由于鳍翼表面受到的流 所得结果作为载荷施加到结构中，不将结构所得计算 作者简介：彭杉（１９７９一），男，工程师。研究方向：舰船机电设备。 １７ 机电设备２０１６／１ ｅｍｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ 术交流 ４结论 通过对鳍翼流固耦合的计算，能较好地模拟鳍在 参考文献： ［１】韦彬．即将来临的我国船舶减摇鳍时代［Ｊ］．机电 设备，２００１（６）：１９—２０． ［２］岳爱武，魏柏永，焦侬．减摇鳍系统仿真探讨［Ｊ］ ．船舶工程 １ ９９０（２）：３ １—３６． 流场中的压力以及鳍内部结构的应力分布情况。流体 模拟计算可优化鳍翼剖面，能得到更大升力系数的鳍 翼，结构计算能使鳍翼结构在满足强度要求的前提下 尽可能地节省材料，优化内部的支撑板可使鳍翼结构 力学性能更好。 ［３３］ 潘晋，喻红霞，王德禹．减摇鳍结构应力分析及新 鳍型探讨［Ｊ］．船舶工程，２００５，２７（２）：１－４． 采用流固耦合计算方法对减摇鳍鳍翼力学性能分 析研究，从根本上解决鳍翼结构优化问题的关键技术， 该方法也可对Ｔ形翼、舵、螺旋桨等船体附体结构设 计提供有益的借鉴。 ［４ 刘政，贺铸，张宁，等．复合材料螺旋桨水动力特 ４］性的流固耦合数值模拟［Ｊ］．船舶工程，２０１５， ３７（１）：１ ８—２０． ［５】解元玉．基于ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ的流固耦合计算 研究及工程应用［Ｍ］．太原：太原理工大学，２０１ １． （上接第１２页） ３）磁力耦合器具有软启动和软停止的能力【３】，改 造后的３号低温淡水泵实现软启动和软停止，防止电 动机启动时对船舶电网造成冲击。 通过实际应用证明，磁力耦合器在船用离心泵传动系 统中能安全地运行，同时磁力耦合器在船舶领域具有 较为广阔的应用市场。 ３．３磁力耦合器船用市场分析 国家发展改革委把磁力耦合器列入２０１４年《国家 重点节能低碳技术推广目录》。中海油运某油轮上的泵 舱风机由于不对中引起振动而产生较大的噪声，故电 参考文献： ． ［１］Ａ．Ｗａｌｌａｃｅ，Ｃ．Ｗｏｈｌｇｅｍｕｔｈ，Ｋ．Ｌａｍｂ．Ａ Ｈｉｇｈ Ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ａｎｄ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｔｏｌｅｒａｎｔ， Ｃｏｕｐｌｅｒ Ｕｓｉｎｇ Ｈｉｇｈ Ｅｎｅｒｇｙ Ｐｒｏｄｕｃｔ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ 机与泵舱风机之间的机械联轴器更换为磁力耦合器， 泵舱风机在同样的工况下，驱动电机的工作电流由改 造前的１１ Ａ变为改造后的７ Ａ，能耗降低了２７．５％【４Ｊｏ 同时还减小了振动，减小了维护和保养成本。 Ｍａｇｎｅｔｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｓｅｖｅｎｔｈ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｏｔｏｒｓ ａｎｄ Ｄｒｉｖｅｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， １ ９９５，７３（２）：２９９—３０５． ［２】牛耀宏．矿用永磁磁力耦合器设计理论及实验研 究［Ｄ］．北京：中国矿业大学（北京），２０１４． ［３】刘生江．矿用永磁磁力驱动装置的研究（Ｊ］．煤矿 机械，２０１３（９）：１８４．１８５． 据美国麦格钠公司资料，美国海军水面舰艇舰采 用磁力耦合器将达１５０００处ｌ５】。笔者进行了同样的类 比，根据２０１３年交通运输行业统计公报，内河运输船 舶数量达到１５．９ｌ万艘、沿海运输船舶数量为１１ ０２４ 艘、远洋运输船舶数量为２ ４５７艘【６】。可以预见，磁力 耦合器在船舶市场上的应用潜力是巨大的。 ［４ 冯晓明．磁力耦合器在泵舱风机的应用［４］Ｊ］．海事 技术，２０１０（３）：３２．３３． ［５］Ｍａｇｎａ Ｄｒｉｖｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．Ｆｌｅｅｔ Ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｐｒｏｇｒａｍ（０７—４）［０Ｒ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍａｇ— ４结论 “育鲲轮”冷却水系统３号淡水泵进行磁力 ｎａｄｒｉｖｅ．ｃｏｍ／Ｕｓｅｒｆｉｌｅｓ／Ｄｏｃｓ／ａｒｔｉｃｌｅｓ／Ｆｌｅｅｔ％２０Ｍａｉｎｔｅ ｎａｎｃｅ％２０Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ％２０Ｐｒｏｇｒａｍ％２０（０７—０４）．ｐｄｆ． １４年３月初整个电 入运行以来，均处 ｌ 十艮好的工作状ｆ ［６］交通运输部综合规划司．２０１３年交通运输行业发展 统计公报［Ｎ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｚｇｊｔｂ．ｃｏｍ／ｃｏｎｔｅｎ— ｔ／２０１４．０５／１３／ｃｏｎｔｅｎｔ ８３３０５．ｈｔｍ． 电机轴承进行更换 具有节能的效果。 与维护。同时电 ２０１６／１机电设｛
