基于SPH法的船式拖拉机叶轮单轮叶驱动性能研究
某型汽轮机速度级流场气动性能的数值研究
该复 速级 第一级叶片 的气动性 能。计算 结果表 明 ， 半寇蒂斯级非喷嘴 区域 内的压力远低 于喷 嘴区域 的压力和 平均
压 力 ， 喷 嘴 区域 的边 界 部 位 出现 由较 高压 力 向 较 低 压 力 的 急 剧 变 化 。非 进 气 弧 段 与 进 气 弧 段 之 间 的 压 力 差 值 相 在
对较 大。在非进气弧段的两端 ， 叶将 承受 方向相反的 由于高压 区向低压 区气体 流动形 成的 气动力矩 的作 用 ， 动 这 会导致 下游叶片的压力分布发 生明显变化 。 关键 词 ： 汽轮机 ； 半寇蒂级 ； 局部进汽 ； 数值模拟 ； 叶片
分 类 号 ：Ｋ ７ Ｔ ４ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ １ ８４ ２ １ ０ －２ １ ３ １０ — ８ （ ００）４０ ４ － ５ ０
第５ ２卷 第 ４期
２１ ０ ０年 ８月
汽
轮
机
技
术
Ｖｏ ． ２ Ｎｏ ４ １５ ． Ａｕ ． ０ ０ ｇ２ １
ＴＵＲＢＩ ＮＥ ＴＥＣＨＮ０Ｌ ０ＧＹ
某 型 汽 轮 机 速 度 级 流 场 气 动 性 能 的数 值 研 究
刘 子亘 邹积 国 ， ， 于剑锋 冀 洵。 ，
ｓａ ｅ ｉ ａ ｏ ｒｔ ａ ｈ ｔｏ ｏ ｚｅ ｒ ｇｏ ｓｗｅｌａ ｈ ａ ｅ ｓ ｅ Ｉ ｈｅ ｂ ｒ ｒ ａｅａ ｏ ｏ ｚｅ ｒｇ ｏ ｔ ｒ ｍ ａｉ ｔ ｇ ｓ ｆｒｌｗｅ ｈ ｎ ｔ ａ ｆｎ ｚ ｌ ｅ ｉｎ ａ ｌ ｓｔ ｅ ｍｅ ｎ ｐｒｓ ｕｒ ． ｎ ｔ ｏ ｄｅ ｒ ｆｎ ｚ ｌ ｅ ｉ ｎ，ｈｅ ｄ ａ ｔｃ
ｃ ａ ｇ ｓ ｆ ｍ ｈ ｉ ｈ ｒｐ ｅ ｓ ｒ ｏ ｔｅ ｌ ｗ ｒｏ ｃ ￣ｅ ．Ｔ ｅ ｐ ｅ ｓ ｒ ｉ ｅ ｅ ｃ ｅｗｅ ｎ ｔ ｅ ｎ ｎ ｉ ｌｔａ ｃ ａ ｄ ｉ ｌｔａ ｃｐ ｒ ｈ ｎ ｅ ｒ ｔ ｅ ｈ ｇ ｅ ｒ ｓ ｕ ｅ ｔ ｈ ｏ ｅ ｃ ｕ ｄ ｈ ｒ ｓ ｕ ｅ ｄ ｆ ｒ ｎ ｅ ｂ ｔ ｅ ｏ ｎ ｅ ｒ ｎ ｎ ｅ ｒ ａｔ ｏ ｆ ｈ
高性能船舶要点
高性能船舶知识概要1绪论1.1什么是高性能船舶？基于不同的流体动力原理，高性能船有不同的类型和船型，可以是排水量船型，还可以是流体动力船型，还可以是不同原理的混合船型。
不管是哪一种船型，它们的共同点是具有高水平的综合航海性能，以及具有完善的满足其主要使用要求的船舶功能。
这样的船舶统称为高性能船舶。
1.2高性能船的特点有哪些？航速高，优良的耐波性能，载运能力较大，经济性好，优美的造型和舒适的舱室空间环境。
1.3什么是傅氏数和容积傅氏数，引入傅氏数的目的是什么？船傅氏数就是傅汝德数，傅氏数（L为船的设计水线长），容积傅氏数（▽为排水体积）。
引入傅氏数的目的：表达船舶相对速度。
1.4航速对船舶首尾吃水的影响规律？（1）当Fr▽<1时，此时航速较低，流体动力所占的比重极小，船体基本上由静浮力支持，船体的航态与静浮时变化不大。
（2）1.0<Fr▽<3.0时，此时随着航速的提高，航态较静浮状态有明显的变化，船首上抬较大，船尾下沉明显，整个船体呈现明显的尾倾现象。
（3）Fr▽<3.0时，此时航速很高，船体吃水变化很大，而且整个船体被托起并在水面上滑行，仅有一小部分船体表面与水接触。
1.5根据流体动支持力的大小船舶运动可分为哪几种运动航态？根据流体动支持力的大小船舶运动可分为排水航行状态，过渡（或半滑行）状态和滑行状态1.6高性能船舶有哪几种类型？高性能船舶主要包括：小水线面双体船，穿浪双体船，滑行船，水翼艇，气垫船，地效翼船，高性能排水式单体船。
1.7高性能船舶航行性能有哪几种研究方法，这些方法的特点是什么？高性能船舶航行性能有三种研究方法：理论计算研究，模型试验研究，实船试验研究，特点如下：理论计算研究特点，高性能船舶是现代高科技应用和发展的产物。
在每种高性能新船型开发研制工作一开始，以船舶水动力学为基础的各种分析计算方法即被引用于性能研究工作，而且收到了比单体船性能研究中使用理论计算方法更好的效果。
船舶阻力与推进复习资料
船舶阻力与推进1船舶快速性答：船舶快速性就是研究船舶尽可能消耗较小的机器功率以维持一定航行速度的能力的要求。
2船体阻力按照船舶周围流动现象和产生的原因来分类，船体总阻力可分成：答：兴波阻力、摩擦阻力、粘压阻力。
3常规船减小兴波阻力的方法有哪两种？答：1.选择合理的船型参数；2.造成有利的波系干扰。
4如何减小船体的摩擦阻力？答：首先从船体设计本身考虑，选择合理的船型参数，特别是主尺度的确定要恰当，其次，由于表面粗糙度对摩擦阻力的影响很大，因而在可能的范围内使船体表面尽可能光滑，另外边界层的控制以及船底充气都能有效的减小船体阻力。
5采用母型船数据估算法来确定设计船的阻力或有效功率有哪几种方法？答：1.海军系数法；2.引申比较定律法；3.基尔斯修正母型船剩余阻力法。
6降低粘压阻力对船型有哪些要求？答：1.应注意船的后体形状；2.应避免船体曲率变化过大；3.前体线型应给予适当注意。
7有效功率的定义答：若船以速度v航行时遭受到的阻力为R，则阻力R在单位时间内消耗的功为Rv,而有效推力eT v，两种在数值上是相等的，故eT v成为有效功率。
8螺距比是如何定义的？答：面螺距P和直径D之比P/D成为螺距比9空泡是如何形成的？答：螺旋桨在水中工作时，桨叶的叶背面压力降低形成吸力面，若某处的压力降至临界值以下时，导致爆发式的汽化，水汽通过界面，进入气核并使之膨胀，形成气泡，成为空泡。
10当前设计船用螺旋桨的方法有哪两种？答：图谱设计法和环流理论设计法。
11螺旋桨的设计问题分为哪两类？答：螺旋桨的初步设计和终结设计。
12通过船模自航实验应解决哪两个问题？答：1.预估实船性能；2.判断螺旋桨、主机、船体之间的配合是否良好。
13船体主尺度对阻力有很大影响，在船长的选择时应考虑哪几方面的问题？答：1.布置要求2.阻力性能3.操纵性4.经济性。
《船舶阻力》思考题与习题第一章总论1）《船舶阻力》学科的研究任务与研究方法。
答：本课程着重介绍船舶航行时所受到的阻力的产生原因，各种阻力的特性，决定阻力的方法，影响阻力的因素以及减少阻力的途径等问题。
基于叶素_动量理论的潮流能水平轴水轮机水动力性能分析_王树杰
600
太
阳
能
学
报
35 卷
为 U，引入轴向诱导因子和切向诱导因子 a 和 a' 。 通过叶素的水流轴向速度为 U（ 1 － a） ， 切向速度为 轴向速度和切向速度合成相对速度 W， Ω r（ 1 + a' ） ， β为 相对速度 W 和翼型弦线之间的夹角 α 为攻角， 叶素桨距角， = α + β， 该叶素的来流角 为： U（ 1 － a） （ 1） = actan Ω r（ 1 + a' ）
C Dmax = 1 ． 11 + 0 ． 018 AＲ ，α = 90 ° B1 = C Dmax ， B2 = C Ds － C Dmax sin2 α s / cosα s 。 其中，
C D = B1 sin2 α + B2 cosα， 15 ° ＜ α ＜ 90 ° （ 17 ） C L = A1 sin2 α + A2 （ cos2 α / sinα） ， 15 ° ＜ α ＜ 90 ° （ 18 ） A1 = B1 / 2 ，A2 = （ C Ls － C Dmax sinα s cosα s ） × 其中， （ sinα s / cos2 α s ） 。 — —完 全 失 速 时 的 最 大 阻 力 系 数 ； 式 中，C Dmax —
［10 ］
额定流速 v rated / m·s 额定功率 P rated / W 叶轮直径 D / m 轮毂直径 D hub / m 叶片数量 B / 个 设计尖速比 λ 叶片翼型
0． 8 25 0． 6 0． 8 6 2． 3 NACA 44XX
。 ViternaCorrigan 失 速 模 （ 16 ）
根据简化风车理论， 叶片展向分为 9 个截面， 通 过计算得到每个截面弦长和扭角分布见表 2 。 在中国海洋大学物理海洋教育部重点试验室大 型风浪流水槽（ 见图 4 ） 中进行了水轮机水动力性 能模型试验。水槽长度为 65m， 宽度为 1． 2m， 深度 为 1． 75m， 最大流速为 0． 8m / s。水槽可进行流速和 水深调节， 能够满足试验的工况需求。
H《过程流体机械》思考题参考解答
pS
＋
γ
2 cS 2g
―
pV
γ
＝λ1
c2 0 2g
＋λ2
w2 0 2g
（4-19）
汽蚀条件：＝泵开始发生，＜严重汽蚀。
′ n′ ， H ′ ⎛ n′ ⎞ qV =⎜ ⎟ = H ⎝n⎠ qV n
2
，
N ′ ⎛ n′ ⎞ =⎜ ⎟ N ⎝n⎠
3
， η ′ = η （4-31,32,33,相似条件）
。 式中：λl 为尺寸比例系数（模型缩放比）
故障 中高压 故障维修 高 少 高 低 较低 多 中小流量 压力脉动 离心式差、往复式优 选用条件
离心式优、往复式差
☆思考题 3.3 何谓连续方程？试写出叶轮出口的连续方程表达式，并说明式 中 b2/D2 和 φ2r 的数值应在何范围之内？ 连续方程：质量守恒（流经任意截面流量） （3-1） qm＝ρi qVi＝ρin qVin＝ρ2 qV2＝ρ2 c2r f2 ＝const 式中：qm 为质量流量，kg/s；qV 为容积流量，m3/s；ρ 为气流密度；f 为截 面面积；c 为法向流速； qm＝ρ2 qV2＝ρ2
1/4
叶轮切割定律（相似定律简化特例） 问题：现场需要同类型泵系列流量范围（小范围） ，无变速条件，变尺寸 。 （成套叶轮）成本↑；简单方法：切割叶轮外径（同叶轮不同外径 D2）
3
离心压缩机
☆思考题 3.1 何谓离心压缩机的级？它由哪些部分组成？各部件有何作用？ 级典型结构（图 3-2） ：叶轮、扩压器、弯道、回流器，首级（增加吸气管） 、 中间级、末级（无弯道、回流器，增加蜗壳） ；叶轮：唯一做功元件。闭式、 半开式、双吸式（双面进气） ；后弯（后向）型、径向型、前弯（前向）型； 扩压器：能量转换元件（动能→压能，气流减速增压） ，无叶（片）型、叶片 （有叶）型。 ☆思考题 3.2 离心压缩机与活塞压缩机相比，它有何特点？
船舶推进_螺旋桨图谱设计
D
=1
.2
1.0
0. 8
1.0
1.0
0.8
1.2
0.8 0.7 0.6 0.4 0.3 0.5
P /D
0.6
=0
.4
P /D
0.4
0.2 0.1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
0
J
14
η0
=1 .2
0.8
0.6
8.2 B-δ型设计图谱及其应用
Q KQ ρ n 2 D5
D VA / nJ
功率系数BP
（收到马力系数）
NP V
0.5 D 2.5 A
BP 33.30
0.5 KQ
J 2.5
直径系数δ
ND 30.86 δ VA J
16
8.2 B-δ型设计图谱及其应用
ND 30.86 δ VA J
0.5 0.5 KQ NPD BP 33.30 2.5 2.5 VA J
M HP 147k W 200hp
PD 0 M H P S R 2 0 0 0 . 9 6 0 . 9 8 1 8 8 . 1 6 ( h p )
11
第8章 螺旋桨图谱设计
本章主要内容
8.1 螺旋桨的设计问题及设计方法 8.2 B-δ型设计图谱及其应用
8.3 设计螺旋桨时应考虑的若干问题
8.4 船体-螺旋桨-主机的匹配问题 8.5 螺旋桨图谱设计举例
8.6 螺旋桨制图
12
8.2 B-δ型设计图谱及其应用
8.2 B-δ型设计图谱及其应用
在进行螺旋桨设计时，必需针对船舶的特点和要求
拖网渔船电力推进系统设计研究
中图分类号 ：Ｕ６ ４４１ ７． 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：２ ９ ．０ ９（０ ２ ０ ．０ ２０ ０ ５４ ６ ２ １） ３０ ６ ．３
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｔｈ ｓ ｐ ｐ ｒ ａ ａｙ ｅ ｈ ｈ ｒ ｃｅ ｓｉｓ ｏ ｈ ｎ ’ ｆ ｓ ｉ ｄ ｐ ｎ ｅ ｔ ｅ ｉ ｎ ｄ ３ ．ｍ ｌｃ ｒ ｒ ｐ ｌｉ ｎ ｉ ａ ｅ ｎ ｌ ｚ ｓ ｔ ｅ ｃ ａ ａ ｔｒ ｔ ｆ Ｃ ｉ ａ Ｓ ｉ ｔ ｎ ｅ ｅ ｄ ｎ ｌ ｄ ｓｇ ｅ ６ ５ ｅｅ ｔ ｃ ｐ ｏ ｕ ｓｏ ｉ ｃ ｒ ｙ ｉ ｒ ｔ ｗｌｒ ｅａ ｏ ａ ｅ ｈ ｅ ｔ ｒ ｓｏ ｅ ｔ ｃｐ ｏ ｕ ｓｏ ｙ ｔ ｍ， ｏ ｒ ｔｔ ｎ ｄ ｓｇ ｎ ａ ａ ｅ ｎ ； ｅ ｅ ｌ ｅｍｅ ｉ ｆ ａ ｅ ， ｌｂ ｒ ｔ ｓ ｅ ｆ ａｕ ｅ ｆ ｌ ｃｒ ｒ ｐ ｌｉ ｎ ｓ ｓｅ ｐ ｗｅ ａ ｉ ｅ ｉｎ ａ ｄｍ ｎ ｇ ｍｅ ｔ ｒ ｖ ａｓｔ ｒ ｓｏ ｔ ｅ ｉ ｓ ｏ ｈ ｔ ｕ ｉ ｇ ｅｅ ｔ ｃｐ ｏ ｕ ｓｏ ｙ ｔ ｍ ｒｔ ｗｌｒ ｎ ｓ ｏ ｉ ｖ ｉ ｉ ｃ ｎ ｅ ｆ ｒ ｅ ｄ ｖ ｌ ｐ ｎ ｆｄ ｍ ｅ ｔ ｓ ｉ ｇ ｖ ｓ ｅｓ ｓ ｌｃｒ ｒ ｐ ｌｉ ｎ ｓ ｓｅ ｆ ａ ｅ ｓａ ｄ ｉ ｓｔ ｅｓｇ ｆ ａ ｃ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔ ｏ ｓ ｃｆ ｈ ｎ ｅ ｓ ｌ． ｎ ｉ ｏ ｒ ｔｐ ｉ ｎ ｉ ｏ ｔ ｈ ｏ ｉｉ Ｋｅ ｒ ｓ ｔａ ｅ ； ｌｃｒｃｐ ｏ ｕ ｓ ｎ ｓ ｓｅ ； ｏ ｒ ｎ ｇ ｍｅ ｔ ｙ ｔ ｍ； ｒ ｐ ｌ ｏ ｓｅ ｉ ｔｒ ａ ｅ ｙｗｏ ｄ ： ｗｌ ｒ ｅｅ ｔ ｒ ｐ ｌｉ ｙ ｔｍ ｐ ｗｅ ｒ ｉ ｏ ｍａ ａ ｅ ｎ ｓｅ ｐ ｏ ｕ ｓ ｎ ｓ ｔ ｍ ｅ ｆｃ ｓ ｉ ｙ ｎ
海豚型叶片对动叶栅流场的影响
２ １ ４月 ０ ０年
汽
轮
机
技
术
Ｖ０． ２ Ｎｏ ２ １５ ． Ａｐ ． ０１ ｒ２ ０
ｒ ＵＲＢ ＮＥ Ｉ ＨＮ ＯＧＹ Ｉ ＥＣ ＯＬ
海 豚 型 叶 片对 动 叶栅 流 场 的影 响
肖玉广 徐 惠坚 ，
（ 哈 尔滨汽轮机厂有限责任公 司， 尔滨 １０４ ； 尔滨商业大学 ， 尔滨 １０２ ） １ 哈 ５０６ ２哈 哈 ５０ ８
Байду номын сангаас
Ｈ型网格 ， 叶片周 围区域 采用 Ｏ型 网格 ， 固壁 附近 区域 网格
１ 边界条件和计算 网格
本文以 Ｃ Ｄ软件 Ｃ Ｘ为计算平 台 ， Ｆ Ｆ 采用有 限体积法 和 全隐式耦合求解 技术 ， 对一级单排叶栅流场求 解定常三 维黏 性雷诺 平均 Ｎ—Ｓ 程 ， 程 的离 散格式为 迎风差分 格式加 方 方 水平对 流修 正 ， 具有二 阶差 分精度 。湍流模型 为标准 的 ｋ～
关键词 ： 海豚叶型 ； 汽轮机 ； 湿蒸汽 ； 动叶栅 ； 数值模拟 分类号 ：Ｋ ６ ． Ｔ ２３３ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：０ １５８ ２ １ ２０ ２ －２ １０ －８４（００Ｊ －１５０ ０
Ｔ ｅＥ ｅｔ ｆ ｈ ｏｐ ｉ ｒｆｅｏ ｌｗ Ｆｅｄｏ ｏｏ ｕｂｎ ａｃｄ ｈ ｆ ｃ ｏ ｅＤ ｌｈｎＰｏ ｌ ｎＦｏ ｉ ｆ ｔ Ｔ ｒｉｅＣ ｓａ ｅ ｔ ｉ ｌ Ｒ ｒ
摘要 ： 采用遗传算法及人工神经网络的优化算法 ， 把某 汽轮机末 级常 规静叶 片改型设 计成海豚 仿生型 叶片 。利用 两相均质数值方法和湿蒸汽平衡相变模 型， 以商用软件 Ｃ Ｘ为计算平 台 ， Ｆ 模拟 了常规原型 与新 设计 的海豚 型叶栅 流场 。通过对计算结果进行 比较 ， 分析该海 豚型叶片与常规 叶片在气 动性能上 的异 同 ， 索海豚 型叶片是 如何 通 探 过改变 叶栅流道 内蒸汽湿度 的分布状况来更好地适应 叶栅 内湿蒸汽跨音速流动 。
CPP螺旋桨
张培宇
CPP简述
可调桨技术来源于国外，世界知名的推进器制造商有：瑞典的卡梅瓦 (KAMEWA)、芬兰的瓦锡兰（WASILTA）、德国的肖特尔（ SCHOTTEL）、挪威的博格（BERG）。卡梅瓦的调距桨技术全世界 首屈一指，“Aquamaster”是其旗下世界知名的全回转舵桨品牌，现 在卡梅瓦被英国罗尔斯-罗伊斯（Rolls-Royce）兼并，但是人们一直对 “卡梅瓦”津津乐道，当初卡梅瓦是世界上生产调距桨最大的公司， 根据生产卡普兰水轮机的经验，该公司从1937年即生产出第一台船用 调距桨，全球多家公司均引进卡梅瓦专利进行生产，如日本三菱公司 、美国伯德.约翰逊公司等。肖特尔的产品有可调桨、侧向推进器、舵 桨、喷水推进器等，其SRP舵桨是世界第一品牌。瓦锡兰不但生产推 进器，还是世界上最著名的柴油机制造商，兼并了荷兰的列泼斯（ LIPS）推进器，列泼斯是专门生产推进器的厂商，创立于1928年，是 世界上从事调距桨生产较早的公司之一，在日本、法国、美国、意大 利、西班牙、加拿大等地均有该公司子公司或制造商，其产品涵盖侧 推、调距桨、定距桨、舵桨、喷水推进器等，并入瓦锡兰后其推进器 品牌仍为LIPS。
气蚀： 又称穴蚀。流体在高速流动和压力变化条件下，与流体接触 的金属表面上发生洞穴状腐蚀破坏的现象。常发生在如离心 泵叶片叶端的高速减压区。气蚀的特征是先在金属表面形成 许多细小的麻点，然后逐渐扩大成洞穴。 气蚀的形成原因是由于冲击应力造成的表面疲劳破坏，但液 体的化学和电化学作用加速了气蚀的破坏过程。 疲劳破坏： 当液体在与固体表面接触处的压力低于它的蒸汽压力时，将 在固体表面附近形成气泡。另外，溶解在液体中的气体也可 能析出而形成气泡。随后，当气泡流动到液体压力超过气泡 压力的地方时，气泡变溃灭，在溃灭瞬时产生极大的冲击力 和高温。固体表面经受这种冲击力的多次反复作用，材料发 生疲劳脱落，使表面出现小凹坑，进而发展成海绵状。严重 的其实可在表面形成大片的凹坑，深度可达20mm。
推进系统的动力配合性能(共44张PPT)
性 另摩 外在不擦 同航R 速v 下阻 1 s.8 各， 6 种阻力 力漩 成分比R 涡 例 v 也s2， 不相阻 同，兴 同力 一R 条波 船vs4
低速时摩擦阻力占主要成分；而高速时，兴波阻力称为成 为主要成分，漩涡阻力主要决定于船体形状和附属结构物， 与船速关系不大。
推进系统的动力配合特性
参 数
（2）螺旋桨有效推力Te等于船体阻力R，
关
Te=T（1-t）=R
系 （3）螺旋桨收到的功率Pp后，通过自身在流场内的 作用，发出船体阻力所需要的有效功率PR
PR Ppprs PTs PPt p螺旋桨敞水效 r相率对旋转效率 s船身效率t螺旋桨推进效率
推进系统的动力配合特性
船 由此可知，推进系统工作特性是发动机-传动机组及 机 螺旋桨、船体在外特性方面的综合匹配，是他们之 桨 间功率、扭矩、转速、效率、推力和船速等参数在 动 推进系统工作时的运动学和动力学关系。
力 船舶在航行时的阻力、航速等参数不仅决定于船体尺 参 度和线型，还取决于航行中的海况、风浪、激流及装 数 载量等因素；航行中除了额定工况外，还有部分工况、 关 船舶起航、加减速、倒车和转弯等操纵方式的变化； 系 船-桨-机本身性能的不断变化等。
推进系统的动力配合特性
船 因此，不同的外载荷、不同的运行工况、装置部件性能 机 上的变化等，都会引起动力特性及其配合特性的变化， 桨 为此一般将推进系统的动力配合工作特性，分为稳态工
衡受到破坏。
推进系统的动力配合特性
船 研究推进系统动力配合特性的目的是：1）通过选择设 机 计工况，合理选择船-桨-机的技术参数；2）比较各类 桨 推进装置特点确定各部件的型号、规格；3）分析已确 动 定的推进装置在非设计工况下的工作能力和适应性，
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基于SPH法的船式拖拉机叶轮单轮叶驱动性能研究张超，孙勇，周明刚，江昱（湖北工业大学农业机械工程研究设计院，武汉430068）摘要：叶轮是船式拖拉机独特的行走驱动装置，其设计参数对驱动性能和作业效率具有很大影响。为此，以课题组前期研发的HH709S型船式拖拉机叶轮为研究对象，采用光滑粒子流体动力学法，建立了轮叶－土壤的动力
学仿真模型，并在此基础上对单轮叶与土壤的作业过程进行了分析。通过分析不同结构参数下单轮叶推进力做
功及驱动效率的变化规律，为轮叶结构参数优化设计提供依据。研究结果表明：单轮叶结构优化后最大支撑力
减小了3．83%，最大推进力提升了9．66%，推进力做功提升了13．72%，驱动效率提升了20．35%，驱动性能得到
了显著提高。关键词：船式拖拉机；单轮叶；光滑粒子流体动力学法；驱动性能中图分类号：S219．032文献标识码：A文章编号：1003－188X（2019）09－0227－06
0引言
船式拖拉机是我国特有的水田动力机械，其独特的“浮滑式”工作原理使得叶轮的滚动阻力是船体滑
行阻力的3～4倍，即作为行走驱动装置—叶轮的功率
损失大约占全部功率损失的75%～80%［1］。因此，叶
轮结构参数对船式拖拉机的牵引效率具有很大影响。国内外学者采取理论分析和实验测试的方法对叶轮作业性能进行了大量研究。邵耀坚等［2－5］首先提出
以叶轮作为机耕船驱动轮，并通过对单轮叶动力性能
的研究，分析了轮叶倾角、下陷深度及滑转率对轮叶
驱动性能的影响，为驱动轮的设计提供了依据。Gee－Clough、Chancellor［6］通过实验对土壤中单轮叶进行了测试，结果表明土壤含水率、轮叶形状、下陷深度等参数对单轮叶受力具有较大影响。Hermawan等［7］使用自制土箱测试并分析了驱动轮与土壤作用过程中土壤对轮叶的反作用力。Fajardo等［8］在自制黏土试验箱内进行了机耕船驱动轮试验，研究了轮叶角和驱动轮转速对驱动轮受力的影响。陆华忠、罗锡文［9］通过自制土槽实验，分析了轮叶推进力、支撑力及驱动效率变化与土壤流动特性之间的关系。目前，关于轮叶与土壤相互作用的理论研究主要采用力学分析及经验公式进行计算，分析过程存在很多简化，与实际工收稿日期：2018－04－08基金项目：湖北省教育厅科学技术研究计划青年人才项目（Q20171403）；湖北省技术创新专项重大专项（2016ABA091）作者简介：张超（1984－），男，河南上蔡人，讲师，博士，（E－mail）zhangchao19840515@gmail．com。况存在较大误差。采用光滑粒子流体动力学法（SPH）可以从工程应用角度出发，细致全面地考虑叶轮结构、土壤参数及叶轮－土壤接触特性，获得更加准确可靠的结果。为此，以课题组研制的HH709S型船式拖拉机叶轮的单轮叶为研究对象，基于SPH方法，对轮叶与土壤的作业过程进行动力学仿真，分析单轮叶结构参数对其驱动性能的影响，最终获得驱动效果最佳的轮叶结构。1单轮叶－土壤SPH动力学仿真模型光滑粒子流体动力学法（SPH）由Lucy、Gingold等［10－11］于1977年首次提出，基本思想是将连续介质离散为一系列具有质量的质点，通过跟踪质点的运动
轨迹，建立其动力学方程，最终获得系统的力学特性。SPH是一种无网格法，常被用以解决有限元法在模拟
如土壤切削、高速碰撞及爆破等动态大变形情况下出
现的网格畸变问题［12－14］。
1．1单轮叶有限元模型
本文在课题组前期研制的HH709S型船式拖拉机驱动叶轮基础上展开的研究，如图1所示。在一定滑
转率下，通过仿真模拟单轮叶与土壤的作用过程，对
轮叶结构参数进行优化。在此，首先对船式拖拉机叶
轮的单轮叶进行建模，原轮叶面倾角α
=5°，轴向角度
θ=30°，轮叶厚度b=8mm，轮叶长度L=250mm，轮叶宽度B=182mm，如图2所示。轮叶模型单元类型采
用Solid164实体单元，因轮叶刚度远大于土壤刚度，为
节省计算时间，将轮叶设置为刚体模型，其材料密度
·722·
2019年9月农机化研究第9期为7．8×103kg/m3，泊松比为0．27，弹性模量为2．1×1011Pa。
图1HH709S型船式拖拉机及叶轮Fig．1HH709Sboat－tractoranditsdrivingwheel
α．轮叶面倾角θ．轴向角度b．轮叶厚度L．轮叶长度B．轮叶宽度B'．轮叶轴向相对宽度
图2单轮叶结构示意图
Fig．2Structureofthesinglelug
1．2土壤SPH模型
土壤是一种三相材料，由土壤颗粒、孔隙气和水组成，其参数多而复杂。土壤材料模型的选择对仿真
模拟的准确性影响很大，本文土壤模型采用土壤专用
材料MAT147（MAT_FHWA_SOIL）。该材料考虑了土
壤含水率、应力软化和变形率等参数的影响［15］，对
Mohr－Coulomb屈服准则屈服面进行了双曲线拟合，拟
合后的屈服面用公式表述为F=－Psinφ+J2K（θ）2+ahyp2sin2槡φ－ccosφ=0（1）式中F—屈服面力；P—压力；φ—内摩擦角；J2—应力偏张量的第二不变量；K（θ）—偏应力面中的极角；ahyp—修正系数；c—内聚力。土壤SPH模型由LS－DYNA专有的前后处理软件LS－PＲEPOST建立，在满足轮叶运动及边界条件处理
要求的前提下，建立长方体土体SPH模型，三维尺寸
为900mm×480mm×430mm（长×宽×高），SPH粒子数
为185760。参考文献［16］中的水田土壤参数，本文
选取的土壤主要参数如表1所示。1．3网格划分与边界条件施加
叶轮轮叶采用六面体网格单元划分，其单元数为1528。HH709S型船式拖拉机作业过程中滑转率约为
25%，依据实际工况，设置轮叶绕轴心转速为1rad/s，水平方向前进速度为2．07m/s，轮叶最大入土深度为310．5mm。对土壤模型底面添加全约束，土壤侧面添
加对称约束（SPH_SYMMETＲY_PLANE），轮叶与土壤
SPH粒子之间采用自动点面接触类型（AUTOMATIC_NODES_TO_SUＲFACE），其静摩擦因数为0．3，动摩擦
因数为0．25［17］，总求解时间为0．6s。单轮叶－土壤动
力学模型如图3所示。
表1水田土壤主要参数Table1Parametersofthepaddysoilmaterial
参数土壤密度ρ/kg·m－3
体积模量K/Pa剪切模量G/Pa内摩擦角φ/rad内聚力c/Pa含水率ψ/%
数值17582．583×10
51．192×1050．1291．304×10446．61
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2019年9月农机化研究第9期图3单轮叶－土壤SPH动力学模型Fig．3Dynamicsimulationmodelofthelug－soil
2结果分析
在上述动力学模型基础上，对单轮叶与土壤的相互作用进行求解计算，图4（a）展示了作用过程中轮叶
转角ω分别为20°、45°、90°、100°时土壤内部应力分布云图。在此过程中，任意时刻土壤对轮叶的作用力
均可分解为水平推进力Fp和垂直支撑力FL，如图4（b）所示。支撑力是轮叶滚动阻力产生的主要原因，因此在保证足够推进力的前提下，减小支撑力FL的绝对值，可有效减小滑转率，提高叶轮的驱动效率
［9］。
（a）轮叶与土壤作用过程（b）轮叶受力分析
图4单轮叶与土壤作用过程及受力分析Fig．4Interactionbetweensinglelugandsoilandtheforceonthelug单轮叶与土壤相互作用的整个过程中，轮叶所受的水平推进力Fp和垂直支撑力FL如图5所示。结合
图4（a）可以看出：轮叶入土后驱动面向后下方挤压土
壤，此时轮叶驱动面与水平面的夹角较小，支撑力FL
快速增大，在转角ω达到45°附近时达到最大值；随着
轮叶继续运动，轮叶驱动面与水平面的夹角持续增
大，FL开始迅速减小；当ω达到100°时，FL为0，继而
因挑土作用变为负值。推进力Fp在轮叶刚入土时为
负值，这是由于轮叶水平夹角较小且其水平方向运动
速度较大，而轮叶存在一定厚度，从而在水平方向产
生推土作用。随着ω增大，Fp持续增加，并在ω达到
90°附近时达到最大值。然后随着ω的增大逐渐减
小，并在出土时由于非驱动面产生向前推土作用，所
以为负值。仿真结果与文献［9］实验研究结果趋势吻
合，验证了模型的有效性。另外，本文还分别研究了
轮叶驱动面倾角α、轴向角度θ、轮刺厚度b等参数对轮叶驱动性能的影响。
图5轮叶推进力Fp和支撑力FL变化曲线Fig．5Pullforceandliftforceonthelugwithturningangle为衡量单轮叶驱动性能，在此分别对推进力做功WFp及驱动效率η参数进行定义：
1）推进力做功WFp。轮叶与土壤相互作用过程
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2019年9月农机化研究第9期