[发明专利]一种冰桨接触过程中桨叶表面瞬时冰载压力分布计算方法

权利要求书

1.一种冰桨接触过程中桨叶表面瞬时冰载压力分布计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定冰桨接触计算工况，包括螺旋桨转速，冰块的物理和力学参数、尺度，冰块的运动速度；

步骤2：输入螺旋桨的几何参数型值表，选择螺旋桨的径向和弦向网格划分方式和数目，建立螺旋桨几何模型，并根据冰桨接触区域对螺旋桨进行合理网格划分；

进行螺旋桨三维模型面网格划分时，需要根据接触位置进行合理网格划分；

若接触区域在桨叶导边，弦向网格导边到随边采用由密到疏的网格划分方式，划分公式为

若接触区域在桨叶随边，弦向网格采用导边到随边网格由疏到密的网格划分方式，划分公式为

若接触区域在桨叶叶梢，弦向网格采用导边到随边网格由密到疏再到密的网格划分方式，划分公式为

步骤3：根据冰场的物理和力学参数、尺度，将冰块离散成物质点形式，初始化所有物质点的密度、体积、速度、加速度；

步骤4：在每个时刻，对所有冰物质点，采用冰桨接触检测方法判断出每一个物质点是否与螺旋桨发生接触，计算出桨叶每个面元受到的冰载荷，进而获得整个桨叶的冰载压力分布；

步骤4.1：将所有物质点由直角坐标转换为极坐标形式后，检测物质点是否位于桨叶叶根和叶梢所包围的范围内，是否在每一个桨叶的导边和随边所包围的角度方位内，若不在则认为没有接触，否则将假设其为能够与螺旋桨接触的物质点；

步骤4.2：对每一个假设的能够与螺旋桨接触的物质点，通过点面几何关系来确定冰粒子与螺旋桨是否发生接触；

步骤4.3：确定出每一个物质点与螺旋桨表面哪个面元发生接触，并计算出每一个物质点与对应面元的接触力大小，接触力计算公式为：

其中，在t+Δt时刻新分配位置物质点的速度；在t+Δt时刻渗入到螺旋桨体内的物质点的速度；

将每个面元受到接触力除以其面积，得到每个面元受到的冰载压力，t+Δt时刻第kz个叶片第j个面元受到的接触压力为：

进而获得整个螺旋桨表面的冰载压力；

步骤4.4：整个螺旋桨表面对其接触压力积分计算，获得整个螺旋桨在不同方向上的接触力与力矩，其表达式由下式来表示：

式中，为在O-XYZ坐标系中的第k个叶片中第j个面元上单位法向量；为在O-XYZ坐标系中的第k个叶片中第j个面元上的控制点的坐标；为第k个叶片中第j个面元的面积；

步骤5：应用近场动力学方法计算所有物质点受到的近场力和外载荷，进而计算出所有物质点的加速度，通过时间积分获得当前时刻所有物质点的位移和速度，根据破坏准则获得海冰的破碎情况；

步骤6：下一个时间步重复步骤4和步骤5，直到到达最大时间步结束计算。

2.根据权利要求1所述的一种冰桨接触过程中桨叶表面瞬时冰载压力分布计算方法，其特征在于：采用近场动力学方法来模拟海冰的破碎过程。

3.根据权利要求1所述的一种冰桨接触过程中桨叶表面瞬时冰载压力分布计算方法，其特征在于：冰桨接触作用过程中，将桨叶看作刚性固体且不变形。