基于梁理论的一维复合材料翼型流固耦合特性预测方法技术

本发明专利技术公开的一种基于梁理论的一维复合材料翼型流固耦合特性预测方法，属于复合材料翼型结构变形和水动力性能预测技术领域。本发明专利技术实现方法为：建立一种通用的复合材料翼型水动力性能预测方法，基于梁理论受力

【技术实现步骤摘要】
基于梁理论的一维复合材料翼型流固耦合特性预测方法


[0001]本专利技术涉及一种复合材料翼型流固耦合性能预测方法，适用于大展弦比复合材料翼型的流固耦合特性预测，属于复合材料翼型结构变形和水动力性能预测


技术介绍

[0002]复合材料具有比刚度高、比强度高、疲劳性能好、磁/电效应低等优点，已广泛应用于各行各业。在航空航天领域，复合材料已广泛应用于直升机机翼的减振和减载。在早期海洋船舶领域，复合材料被应用于上层建筑、桅杆或甲板以减轻重量。近年来，复合材料螺旋桨因其在非设计工况下的被动变形可以提高性能和燃油效率，成为研究热点。由于复合材料设计参数较多，为了提升复合材料翼型优化效率，需要实现快速的流固耦合特性预测。
[0003]以往对复合材料的研究大多是基于均匀梁理论，研究对象都是沿宽度或弦向等厚的复合材料板，而应用于海洋船舶领域的螺旋桨，其截面通常是翼型。为了更好地预测复合材料翼型，基于各向异性薄壁封闭截面梁理论，建立复合材料翼型修正解析模型，研究复合材料翼型。

技术实现思路

[0004]本专利技术公开的基于梁理论的一维复合材料翼型流固耦合特性预测方法要解决的技术问题是：基于梁理论和翼型形状修正模型，结合流体动力计算的升力线法，求解复合材料翼型的流固耦合特性，预测复合材料翼型的水动力性能。本专利技术有助于对复合材料的有效力学行为、物理行为深入分析及预测。本专利技术能够有效预测复合材料翼型水动力特性，具有预测效率高和精度高的优点。
[0005]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。
[0006]本专利技术公开的一种基于梁理论的一维复合材料翼型流固耦合特性预测方法，建立一种通用的复合材料翼型水动力性能预测方法，基于梁理论受力
‑
变形关系建立复合材料翼型的运动学模型，结合流体动力计算的升力线法，形成简化一维流固耦合方法，分析大展弦比翼型在无限流域中的流固耦合特性，获得复合材料大展弦比翼型的水动力性能，基于梁理论实现一维复合材料翼型流固耦合特性预测。本专利技术有助于对复合材料的有效力学行为、物理行为深入分析及预测，能够应用于复合材料翼型的水弹性性能预测，解决复合材料翼型强度及稳定性等相关工程问题。本专利技术能够有效预测复合材料翼型产生的水动力变形，具有预测效率高和精度高的优点。
[0007]本专利技术公开的一种基于梁理论的一维复合材料翼型流固耦合特性预测方法，包括如下步骤：
[0008]步骤一：根据薄壁封闭截面梁的受力
‑
变形关系，通过对薄壁封闭截面在dz高度的积分，建立复合材料翼型截面的受力
‑
变形关系式。
[0009]根据薄壁封闭截面梁的受力
‑
变形关系，通过对薄壁封闭截面在dz高度的积分，将复合材料翼型的受力
‑
变形关系表示为式(1)。式中，N,T,M
x
和M
z
分别为轴向力、扭矩、绕x、z
轴的弯矩，U1,U2和h分别是沿x,y和z轴的变形，ψ是绕y轴的扭转角。运动学变量中的逗号表示关于y的微分。
[0010][0011]其中，刚度矩阵[C
′
]如公式(2)所示，x2(z)和x1(z)是剖面中某z值的x的最大值和最小值。
[0012][0013][0014]其中A
′
、B
′
、C
′
如式(3)所示，矩阵是单个板的面内刚度系数的简化变换。
[0015][0016]根据薄壁封闭截面梁的受力
‑
变形关系，通过对薄壁封闭截面在dz高度的积分，建立复合材料翼型的受力
‑
变形关系式。
[0017]步骤二：考虑复合材料翼型沿z方向叠合，简化步骤一建立的受力
‑
变形关系中的刚度矩阵，得到复合材料翼型运动学方程。
[0018]复合材料翼型沿z方向叠合，则参数A
′
、B
′
、D
′
在x方向上相同，如公式(2)所示的刚度矩阵[C
′
]分量简写为式(4)。
[0019][0020][0021]将简化的刚度矩阵[C
′
]式(4)代入至受力
‑
变形关系式(1)中，得到复合材料翼型运动学方程如式(5)所示
[0022][0023]其中，m
s
和I
s
分别为质量和单位长度的质量惯性矩。Sz
′
和Sx
′
分别为绕z轴和x轴的质量矩，表示为式(6)，其中ρ为材料密度。x
a
和z
a
分别为质心与剪切中心在x方向和z方向上的距离。
[0024][0025]步骤三：通过替换步骤二简化后的刚度矩阵中的分量，进一步简化步骤二得到的运动学方程。
[0026]将C2′2,C2′3和C3′3替换为GJ,K和EI，则运动学方程式(5)简化为运动学方程式(7)。
[0027][0028][0029]步骤四：通过升力线法，分析翼型上自由涡系诱导的下洗速度及下洗角，获得翼型几何攻角，通过环量理论变换得到翼型表面环量分布与几何攻角的关系。
[0030]自由涡系在升力线上任一点y产生的下洗速度v
yi
如式(8)所示，其中，Γ为环量，ζ为升力线上其他点坐标，Δα是尾涡涡线在升力线上每一点诱导的下洗速度v
yi
引起的下洗角，该角度与几何攻角相反，表达式如式(9)所示，其中V
∞
是无穷远处来流速度，l为翼型展长。
[0031][0032][0033]则有
[0034][0035]变量代换，令
[0036]ζ＝l
‑
lcosθ
1 y＝l
‑
lcosθ 0≤θ≤π
ꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0037]则有
[0038][0039]将环量展开为级数形式得到式(13)：
[0040][0041]则式(12)改写为
[0042][0043]即得到
[0044][0045]级数方程取前k项，得到式(15)，代入至式(14)得系数An。将系数An代入至式(13)中，得到环量分布。
[0046]步骤五：将步骤四得到的翼型表面环量分布与几何攻角的关系，代入至升力与环量关系式中，得到翼型升力与攻角的关系式，根据翼型弯矩、扭矩与升力的关系；将升力代入所述翼型弯矩、扭矩与升力的关系中，得到弯矩、扭矩与翼型攻角的关系，将弯矩、扭矩代入步骤三简化得到的运动学方程中，获得新的攻角。
[0047]根据步骤四中获得的环量分布，得到截面升力表达式如式(15)所示。
[0048]L＝
‑
ρV
∞
Γ(y)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0049]翼型y
i
位置处的弯矩和扭矩表达式如式(16)所示，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于梁理论的一维复合材料翼型流固耦合特性预测方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：根据薄壁封闭截面梁的受力
‑
变形关系，通过对薄壁封闭截面在dz高度的积分，建立复合材料翼型截面的受力
‑
变形关系式；步骤二：考虑复合材料翼型沿z方向叠合，简化步骤一建立的受力
‑
变形关系中的刚度矩阵，得到复合材料翼型运动学方程；步骤三：通过替换步骤二简化后的刚度矩阵中的分量，进一步简化步骤二得到的运动学方程；步骤四：通过升力线法，分析翼型上自由涡系诱导的下洗速度及下洗角，获得翼型几何攻角，通过环量理论变换得到翼型表面环量分布与几何攻角的关系；步骤五：将步骤四得到的翼型表面环量分布与几何攻角的关系，代入至升力与环量关系式中，得到翼型升力与攻角的关系式，根据翼型弯矩、扭矩与升力的关系；将升力代入所述翼型弯矩、扭矩与升力的关系中，得到弯矩、扭矩与翼型攻角的关系，将弯矩、扭矩代入步骤三简化得到的运动学方程中，获得新的攻角；步骤六：得到新的攻角后，重复步骤四与步骤五，直至攻角收敛；将满足收敛要求的攻角代入至步骤五得到的升力与攻角的关系中，得到复合材料翼型水动力特性，即基于梁理论实现一维复合材料翼型流固耦合特性预测。2.如权利要求1所述的一种基于梁理论的一维复合材料翼型流固耦合特性预测方法，其特征在于：还包括步骤七，根据步骤六得到的复合材料翼型水动力特性，对复合材料翼型的有效力学行为、物理行为、破坏机理的深入分析，并能够解决相关工程问题。3.如权利要求1或2所述的一种基于梁理论的一维复合材料翼型流固耦合特性预测方法，其特征在于：步骤一实现方法为，根据薄壁封闭截面梁的受力
‑
变形关系，通过对薄壁封闭截面在dz高度的积分，将复合材料翼型的受力
‑
变形关系表示为式(1)；式中，N,T,M
x
和M
z
分别为轴向力、扭矩、绕x、z轴的弯矩，U1,U2和h分别是沿x,y和z轴的变形，ψ是绕y轴的扭转角；运动学变量中的逗号表示关于y的微分；其中，刚度矩阵[C
′
]如公式(2)所示，x2(z)和x1(z)是剖面中某z值的x的最大值和最小值；
其中A
′
、B
′
、C
′
如式(3)所示，矩阵是单个板的面内刚度系数的简化变换；根据薄壁封闭截面梁的受力
‑
变形关系，通过对薄壁封闭截面在dz高度的积分，建立复合材料翼型的受力
‑
变形关系式。4.如权利要求3所述的一种基于梁理论的一维复合材料翼型流固耦合特性预测方法，其特征在于：步骤二实现方法为，复合材料翼型沿z方向叠合，则参数A
...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴钦，郭一梦，曲毅，张汉哲，黄彪，王国玉，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：