بخشی از مقاله
چکیده
پروانههای دریایی ساخته شده از مواد کامپوزیتی، میتوانند نقش عمدهای در ناوگان و صنایع تجاری دریایی داشته باشند. زیرا این پروانهها به دلیل غیرمغناطیسی بودن سبب اختفای بهتر شناورهای نظامی شده و به دلیل کاهش مصرف سوخت در حوزه تجاری بسیار کارآمد خواهند بود. شرکتهای سازنده اینگونه پروانهها و پژوهشگران این حوزه جهت بررسی عملکرد سازهای و هیدرودینامیکی آنها به تحلیلهای مختلفی مانند تحلیلهای استاتیکی-دینامیکی و هیدروالاستیکی میپردازند.
در مقاله حاضر با استفاده از نرمافزار انسیس به تحلیل FSI یک طرفه یک نمونه پروانه کامپوزیتی و فلزی پرداخته شدهاست. بدین منظور ابتدا به کمک نرمافزار CFX تحلیل هیدرودینامیکی پروانه بر اساس سرعت دورانی و سرعت شناور انجام شده و فشار وارد شده بر دیسک پروانه محاسبه میشود. سپس، با توجه به فشارهای وارد بر پروانه، تنش های ایجاد شده در سازه پروانه برای دو جنس کامپوزیتی و فلزی بررسی شده و به تحلیل استحکام و تغییر شکل پرههای پروانه کامپوزیتی و فلزی پرداخته میشود.
مقدمه
عموماً پیشبرنده به هر وسیلهای گفته میشود که برای شناور نیروی پیشران یا تراست تولید کند. سیستم رانش جزء اصلیترین بخشهای یک شناور محسوب میگردد. در این میان، سیستمهای رانش پروانهای به علت سهولت در ساخت، تعمیر و نگهداری همواره نسبت به سایر سیستمهای رانش دریایی متداول، محدوده کاربری گستردهتری را به خود اختصاص دادهاند. معرفی سیستمهای رانش دریایی با توجه به گوناگونی عملکردی و کاربردی آنها بسیار گسترده میباشد.
از سال 1800 میلادی پروانه عمومیترین وسیله برای رانش شناورها میباشد. در واقع از شروع استفاده از پروانههای دریایی برای رانش شناورها و زیرسطحیها، تحقیق و بررسی بر روی عملکرد و طراحی پروانه هنوز یک موضوع مهم به شمار میآید. دلایل اهمیت این موضوع را میتوان افزایش مداوم اندازه شناورها، محدودیت منابع انرژی، اثرات زیستمحیطی سوختهای فسیلی، کاهش ارتعاش و نویز دانست. آلیاژ نیکل- آلومینیوم-برنز عمومیترین ماده برای ساخت پروانههای دریایی میباشد اما در سالیان اخیر از مواد کامپوزیتی نیز برای آزمایش و ساخت آنها استفاده میشود. کامپوزیتها دارای نسبت استحکام به وزن و سختی به وزن بالایی میباشند و در سالیان اخیر تقاضا برای استفاده از کامپوزیتها در صنایع دریایی به دلیل بهبود کارایی هیدرودینامیکی و سازهای افزایش یافته است.
کامپوزیتها ابتدا به صورت موفقیتآمیز در پروانههای هواپیما و هواناو استفاده شدند. به عنوان مثال کولکو1 و راسل2 طراحی، ساخت و آزمایش یک پروانه کامپوزیتی را برروی هاورکرافت تشریح کردند .[1] طراحی و مزایای پروانههای کامپوزیتی برای وسایل دریایی اطلاعات بسیار محرمانه و طبقهبندی شده میباشند و به همین دلیل جزئیات دقیق مواد بکار رفته و پوششهای مورد استفاده در آنها بسیار کم میباشد. اما واضح است که پرههای کامپوزیتی با الیافهایی طراحی میگردد که در برابر بارهای هیدرودینامیکی و جانب مرکز مقاومت کنند.
یکی از مزایای استفاده از کامپوزیتها این است که الیافهای تحملکننده نیروها را میتوان برای کم کردن کرنشها در طول یک پره و در جهات مختلف قرار داد. همچنین میتوان راندمان یک پره را به واسطه ترتیب و جهت الیافها بهینه کرد. لین3 نشان داد که جهت قرار دادن الیافها به عواملی مانند نیروی تراست، نسبت مؤثر گام، تحدب پرهها، طراحی دقیق و ساخت پرهها که نیاز به راندمان بهینه دارد وابسته است .[2] لین در سال 1991 پروانهای هفت پرهای به قطر 0 /5 متر از جنس کامپوزیت را با روش اجزا محدود تحلیل کرد و نتایج آن را با یک پروانه تمام فلزی که از نظر هندسی مشابهاش بود مقایسه نمود. محاسبات اجزا محدود نشان داد که خیز نوک پره در پروانه دارای مواد کامپوزیتی از پروانه فلزی همسانگرد بیشتر بوده و حداکثر تنش های خمشی و برشی درون صفحهای برای هر پره کامپوزیتی تقریباً 50 درصد بزرگتر از یک پره تمام آلیاژی بود.
بزرگی مقادیر تنشها به گونهای بود که پره کامپوزیتی محدود به کار در سرعتهای خیلی کمتری از مقادیر طراحی بود. علاوه بر این لین تذکر داد که برخلاف پره همسانگرد، لازم است که تنشها در همه ضخامت پره کامپوزیتی بررسی شوند، زیرا ممکن است که بحرانی باشند .[3] ها جی لین 1 در سال 2005 به بررسی و ارزیابی استحکام پرههای پروانه کامپوزیتی - از جنس کربن - پرداخت. او برای ارزیابی استحکام پرههای پروانه از روش اجزا محدود با استفاده المانهای پوسته بهره گرفت. استحکام پرهها با استفاده از ترکیب لایه چینی متوازن و غیرمتوازن مورد بررسی قرار گرفت.
استحکام محاسبه شده برای پره پروانه با لایه چینی [⋯/−452/90/0]s مناسب نیست - زیروند Sبه معنای لایه چینی متقارن استضمناً - پرهها با لایه چینی [⋯/θ2/90/0]s و [⋯/−15/15/90/0]s استحکام مناسبی از خود نشان دادند. هاجیلین برای ارزیابی استحکام پرههای پروانه کامپوزیتی از معیار شکست هاشین2 استفاده کرد . [4] رائو سیتراما3 در آگوست سال 2012 به تحلیل تنش یک پروانه کامپوزیتی دریایی با روش تحلیل اجزا محدود پرداخت. او برای این کار به تحلیل دو پروانه فلزی - NAB - و کامپوزیتی مشابه - از نظر هندسی - پرداخت. او از نرم افزار کتیا برای طراحی پروانه و از نرم افزار انسیس برای تحلیل تنشها و جابجاییها و مقایسه مقادیر حاصل برای دو پروانه استفاده کرد.
میانگین جابجایی، تنش نرمال، تنش برشی برای هر دو پروانه فلزی و کامپوزیتی با استفاده از نرم افزار انسیس محاسبه گردید. کاهش مقادیر تنش ها در پروانه کامپوزیتی سبک تر هدف رائو بود .[5] پاوان کیشور در سال 2014 به تحلیل ارتعاش آزاد چهار پره پروانه با جنسهای مختلف شامل آلیاژ نیکل آلومینیوم برنز - - NAB ، دو نمونه آلیاژ منگنز آلومینیوم برنز و کامپوزیتی - کربن و شیشه - پرداخت. نتایج تحلیل او نشان داد فرکانسهای طبیعی پروانههای فلزی بیشتر از پروانه کامپوزیتی میباشد .[6] دکتر حسن قاسمی و دکتر منوچهر فدوی در سال 2015 به بررسی هیدرو-ساختاری پروانه کامپوزیتی تحت فشار هیدردینامیکی پرداختند. آنها در این مقاله از روش CFX برای ارزیابی عملکرد هیدرودینامیکی پروانههای سری B استفاده نمودند و سپس معادلات حاکم بر مسئله را با روش حجم محدود بر مبنای معادلات RANS حل نمودند، همچنین آنها برای مدلسازی جریان آشفته از مدل K- استفاده کرده و نمودار بررسی فشار وارد شده به پروانه را نمایش دادند .[7]
در این مقاله سعی شده است که ابتدا فشارهای هیدرودینامیکی بر روی پرههای پروانه از روش CFD به دست آورده و سپس این نیروها را به قسمت سازهای نرم افزار انتقال داده و فشار دقیق بر روی پره ها بدست آید. برای درک بهتر این حالت از فلوچارت زیر استفاده میشود. همچنین برای صحت سنجی از مدل سازی، در این مقالع ضرایب هیدرودینامیکی به دست آمده از مدل سازی با نتایج تجربی آن مقایسه شده است. برای بدست آموردن ضرایب هیدرودینامیکی در آبهای آزاد، پروانه در جریان یکنواخت کار میکند و بدنه بر عملکرد پروانه تأثیر ندارد
- بدون حضور بدنه - . در این حالت نیروی پیشران، گشتاور مؤثر بر پروانه و راندمان پروانه بر اساس ضرایب بیبعد هیدرودینامیکی تعریف میگردد. فرمولهای بدست آمدن این ضرایب بیبعد هیدرودینامیکی به صورت زیر می باشد: راندمان پروانه در حالت آب آزاد، ضرایب نیروی پیشران و گشتاور همه پارامترهای بیبعدی هستند که تابعی از ضریب پیشروی میباشند. پارامترهای سیالی چگالی ، فرکانس دورانی و قطر برای هر پروانه معلوم است و مقادیر ضرایب نیروی پیشران، گشتاور و راندمان نیز از آزمایشات و نتایج سریهای استاندارد مانند B-Wageningen به دست میآید .[8]
مدلسازی سازه پروانه
نرمافزارهای مختلفی برای رسم هندسه موجود است که ممکن است تلورانس هر کدام از آنها با تلورانس مورد قبول در نرمافزار شبیهسازی انسیس متفاوت باشد. به همین منظور با در نظر گرفتن حد تلورانس نرمافزارهای مختلف، در ابتدا با توجه به مشخصات پروانه که در جدول 1 آمده است، پروانه با نرم افزار HydroComp PropCad رسم و سپس به نرمافزار سالیدورک انتقال داده شده و هندسه پروانه در آن تکمیل شده است - شکل . - 1
