碳纤维复合材料船用螺旋桨的设计方法技术

碳纤维复合材料船用螺旋桨的设计方法，它涉及一种螺旋桨的设计方法。本发明专利技术解决了目前碳纤维复合材料螺旋桨的设计方法不完善的问题。本发明专利技术的碳纤维复合材料船用螺旋桨的设计方法的叶片的几何外形是在原有ＭＡＵ型金属螺旋桨叶片型值数据的基础上，充分利用复合材料的柔性及可设计性能，通过使用流－固耦合的方法，结合预变形策略的实施计算出来的；桨毂的外部用碳纤维复合材料包裹。本发明专利技术设计的碳纤维复合材料船用螺旋桨具有更适合碳纤维复合材料螺旋桨的几何外形及内部结构，能够有效改善螺旋桨的流弹性，提高推进效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种螺旋桨的设计方法。
技术介绍
20世纪70年代以来，随着各类新型舰艇及高速船舶日益发展，世界上的船舶吨位 和主机功率迅速增大，对螺旋桨振动、噪声以及推进性能的要求也显著提高。与传统的金属 螺旋桨相比，碳纤维复合材料船用螺旋桨具有低振动、低噪音、轻质高效、耐海水腐蚀和易 维修的特点。由于碳纤维复合材料与金属材料之间有着本质的区别，因此在螺旋桨的设计 上存在着较大差异。 目前，碳纤维复合材料在船舶领域的广泛使用给螺旋桨的设计者提供了全新的契 机。与传统的金属材料相比，碳纤维复合材料具有材料体系多样性，比强度比刚度高，阻尼 性能优异，结构组成形式可设计等优点，这就为螺旋桨多方面性能要求(推进性能、噪声、 质量)的满足提供了基础。现有的碳纤维复合材料船用螺旋桨采用金属螺旋桨型值，没有 考虑到螺旋桨在实际运转状况下的流_固耦合作用，导致现有的碳纤维复合材料螺旋桨效 率低，不能有效满足舰船推进性能的要求。目前碳纤维复合材料螺旋桨的设计以及制备还 处在起步阶段，缺乏系统完善的碳纤维复合材料螺旋桨设计方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决目前碳纤维复合材料螺旋桨的设计方法不完善的问题， 进而提供了一种。 本专利技术为解决上述技术问题采取的技术方案是所述优化设计方法由以下步骤实 现的 步骤一用单向碳纤维或斜纹碳纤维布与环氧树脂复合，制作碳纤维复合材 料标准试件，并完成试验测试，获取弹性常数，泊松比性能参数，其中弹性常数为EX = 1. lellPa， EY = EZ = 8. 97e9Pa，泊松比0. 34、剪切模量3. 9e9Pa ; 步骤二 根据MAU型金属螺旋桨的几何型值，使用三维实体构型软件UG构建碳纤 维复合材料螺旋桨的几何模型； 步骤三将碳纤维复合材料螺旋桨的几何模型导入有限元软件ANSYS中，选取单 元类型S0LID46对其进行网格划分，并结合步骤一中实验获取的材料性能参数及初步设计选定的铺层方式(^ /45°2 /90; /45°2 /90; /45; /90;)，构建碳纤维复合材料螺旋桨叶的有 限元模型； 步骤四将碳纤维复合材料螺旋桨的几何模型导入计算流体力学分析软件的前处 理器GAMBIT，建立流体域，完成流体网格的划分； 步骤五结合碳纤维复合材料螺旋桨的运行工况(进速比J = V乂nD，转速n，)及 水动力性能(推力系数KT = T/ P n2D4，扭矩系数KQ = Q / P n2D5，效率n = JKT/2 Kq)的 设计要求，建立基于RANS方程的流体动力学计算分析模型，如公式(1) 求解RANS方程，从而获取流动速度及作用在碳纤维复合材料船用螺旋桨上的水 动力； 步骤六将碳纤维复合材料船用螺旋桨的有限元模型与流体动力学计算分析模型相耦合，获得碳纤维复合材料船用螺旋桨的流固耦合计算方程，如公式(2): ^ x (2) 使用Newton-Raphson方法求解该方程，完成迭代收敛计算，从而获取该几何外形 及结构形式下碳纤维复合材料船用螺旋桨的水动力性能特征及几何非线性结构响应情况 即应力和变形； 步骤七根据流固耦合计算获取的结果，判断其是否满足碳纤维复合材料船用 螺旋桨水动力的性能要求以及刚度的设计要求，即推力系数达到0. 2555，扭矩系数达到 0. 04245，如果满足，则完成碳纤维复合材料船用螺旋桨的初步设计； 步骤八如果不满足水动力和刚度设计要求，则需要对碳纤维复合材料船用螺旋 桨实施预变形首先在有限元软件中提取叶片各节点的几何坐标即X，Y，Z，然后根据流-固 耦合计算结果，在X、 Y、Z轴方向上提取叶片各节点处变形值即UX， UY， UZ，接下来结合叶形 所受流体力的分布情况，在步骤二中的高速金属螺旋桨桨叶型几何外形的基础上实行预先 变形，在X、 Y、 Z轴方向上使各节点坐标取值为X+UX， Y+UY， Z+UZ，从而确定新的碳纤维复合 材料船用螺旋桨叶片的几何形式； 步骤九在新的碳纤维复合材料船用螺旋桨叶片几何形式的基础上，重复步骤 二 步骤八的过程，对新的碳纤维复合材料船用螺旋桨叶片几何外形实行预先变形，直至 满足碳纤维复合材料船用螺旋桨的水动力性能要求，完成碳纤维复合材料船用螺旋桨的初 步设计，获取适合于碳碳纤维复合材料船用螺旋桨的几何外形； 步骤十将单向碳纤维复合材料与斜纹碳纤维复合材料以不同的顺序，即单向碳 纤维复合材料及斜纹碳纤维的叠放方式，单向碳纤维复合材料放在叶片的最外表面、中间 或最内层，单向碳纤维复合材料与斜纹碳纤维复合材料的角度按(0° ， ±15° ， ±45°及 90° )堆放； 步骤十一 根据步骤三构建有限元模型，利用ansys软件完成自由振动模态分析， 求解动力学方程，其动力学方程如下M7 + CC> + i^/ = 0 (15) 提取复合材料螺旋桨的多阶固有频率，然后与设计要求的频率范围相比较，判断该结构内部形式下的螺旋桨的固有频率是否能够有效规避共振区及钟乳区，如果不能满足，则调整铺层顺序及铺放角度0。 、±15° 、±45°及90，最后，针对四叶MAU改进型碳纤维复合材料螺旋桨，选取的材料堆放方式为 步骤二 根据MAU型金属螺旋桨的几何型值，使用三维实体构型软件UG构建碳纤 维复合材料螺旋桨的几何模型； 步骤三将碳纤维复合材料螺旋桨的几何模型导入有限元软件ANSYS中，选取单 元类型S0LID46对其进行网格划分，并结合步骤一中实验获取的材料性能参数及初步设计选定的铺层方式(|p; /45。2 /90。2 /45。2 /90; /45; /卯°21 )，构建碳纤维复合材料螺旋桨叶的有 限元模型； 步骤四将碳纤维复合材料螺旋桨的几何模型导入计算流体力学分析软件的前处 理器GAMBIT，建立流体域，完成流体网格的划分； 步骤五结合碳纤维复合材料螺旋桨的运行工况(进速比J = V乂nD，转速n，)及 水动力性能(推力系数KT = T/ P n2D4，扭矩系数KQ = Q/ P n2D5，效率n = JKT/2 ji Kq)的设 计要求，建立基于RANS方程的流体动力学计算分析模型，如公式(1)Ir("i)+^;("i"j)… 求解RANS方程，从而获取流动速度及作用在碳纤维复合材料船用螺旋桨上的水A--/9 w ^ w ,5w,' 。(1)动力； 别为推导公式(1)的过程如下考虑三维螺旋桨叶片在粘性湍流中旋转，其连续方程和基于RANS的动量方程分连续方程:*+^(^",.)=0(3) 动]方程:f ")+l:(萍》-f+i5j^ ,,、^其中U为笛卡尔坐标系统下的速度矢量，p是静态压力，i！是分子粘度，-Pu' 了u' ;j是Reynolds应力； 根据Boussines提出的湍粘假定，建立Reynolds应力相对于平均速度梯度的关 j =〃,、2,一 + 〃,3",《,(5)j时，= 1 ;当ij时，s 这里S u是"Kronecker delta"符号(当i 0) ， y t为湍动粘度，Ui为时均速度，k为湍动能 使用SSTk-"模型，此时湍动粘度与湍动能k和湍动频率"间有如下关系 a:(6)同时建立相应的两个输送方程(k方程和方程)，其分别表达如下汰k-方程，4(芈)43r S\;5w2\:本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纤维复合材料船用螺旋桨的设计方法，其特征在于所述设计方法由以下步骤实现的：　　　　步骤一：用单向碳纤维或斜纹碳纤维布与环氧树脂复合，制作碳纤维复合材料标准试件，并完成试验测试，获取弹性常数，泊松比性能参数，其中弹性常数为ＥＸ＝１．１ｅ１１Ｐａ，ＥＹ＝ＥＺ＝８．９７ｅ９Ｐａ，泊松比０．３４、剪切模量３．９ｅ９Ｐａ；　　　　步骤二：根据ＭＡＵ型金属螺旋桨的几何型值，使用三维实体构型软件ＵＧ构建碳纤维复合材料螺旋桨的几何模型；　　　　步骤三：将碳纤维复合材料螺旋桨的几何模型导然后根据流－固耦合计算结果，在Ｘ、Ｙ、Ｚ轴方向上提取叶片各节点处变形值即ＵＸ，ＵＹ，ＵＺ，接下来结合叶形所受流体力的分布情况，在步骤二中的高速金属螺旋桨桨叶型几何外形的基础上实行预先变形，在Ｘ、Ｙ、Ｚ轴方向上使各节点坐标取值为Ｘ＋ＵＸ，Ｙ＋ＵＹ，Ｚ＋ＵＺ，从而确定新的碳纤维复合材料船用螺旋桨叶片的几何形式；　　　　步骤九：在新的碳纤维复合材料船用螺旋桨叶片几何形式的基础上，重复步骤二～步骤八的过程，对新的碳纤维复合材料船用螺旋桨叶片几何外形实行预先变形，直至满足碳纤维复合材料船用螺旋桨的水动力性能要求，完成碳纤维复合材料船用螺旋桨的初步设计，获取适合于碳碳纤维复合材料船用螺旋桨的几何外形；　　　　步骤十：将单向碳纤维复合材料与斜纹碳纤维复合材料以不同的顺序，即单向碳纤维复合材料及斜纹碳纤维的叠放方式，单向碳纤维复合材料放在叶片的最外表面、中间或最内层，单向碳纤维复合材料与斜纹碳纤维复合材料的角度按（０°，±１５°，±４５°及９０°）堆放；　　　　步骤十一：根据步骤三构建有限元模型，利用ａｎｓｙｓ软件完成自由振动模态分析，求解动力学方程，其动力学方程如下：　　　　Ｍ＊＋Ｃ＊＋ＫＵ＝０　　（１５）　　　　提取复合材料螺旋桨的多阶固有频率，然后与设计要求的频率范围相比较，判断该结构内部形式下的螺旋桨的固有频率是否能够有效规避共振区及钟乳区，如果不能满足，则调整铺层顺序及铺放角度０°、±１５°、±４５°及９０，最后，针对四叶ＭＡＵ改进型碳纤维复合材料螺旋桨，选取的材料堆放方式为［０°↓［２］／４５°↓［２］／０°↓［４］／４５°↓［６］／０°↓［６］／４５°↓［６］／０°↓［６］］↓［ｓ］；　　　　步骤十二：根据最终确定的碳纤维复合材料螺旋桨桨叶的几何外形及内部结构形式，根据步骤二～步骤六，获取桨叶根部各节点所受到的力和力矩，相对于桨毂中心点处积分...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赫晓东，洪毅，王荣国，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]