[发明专利]一种复合材料螺旋桨空泡性能的计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料螺旋桨空泡性能的计算方法。

背景技术

复合材料螺旋桨的研究工作从上世纪60年代开始，发展至今，相比于传统金属螺 旋桨其轻质、高比刚度、高比强度、耐腐蚀等特性正逐渐应用到高性能舰船领域，在不久的 将来将取代传统的金属螺旋桨。但是由于复合材料的变形特性，大大增加了研究工作的难 度，需要同时考虑流体与结构的影响。随着水下探测设备在精度和探测距离方向的不断发 展，对舰船的隐身性能和航行环境提出了更加苛刻的要求，复合材料螺旋桨的研究工作正 面临着前所未有的难度与高度。

螺旋桨在水中旋转时，叶面与叶背之间的压力差提供舰船前进的动力，在航行过 程中，随着桨叶面压力的改变，不可避免的会产生空泡。空泡的产生会引起桨叶表面压力脉 动，影响螺旋桨的水动力性能，降低推进效率。螺旋桨噪声是舰船噪声的主要来源，空泡是 形成螺旋桨噪声的主要成因，严重影响舰船的隐蔽性。同时，空泡的长期作用还会剥蚀螺旋 桨表面材料，造成表面材料缺陷，影响螺旋桨的水动力性能，因此复合材料螺旋桨的空泡性 能研究具有十分重要的意义。

发明内容

本发明是要解决现有方法会因产生空泡影响螺旋桨的水动力性能，降低推进效 率，严重影响舰船的隐蔽性，剥蚀螺旋桨表面材料，造成表面材料缺陷并且影响螺旋桨的水 动力性能，而提出了一种复合材料螺旋桨空泡性能的计算方法。

一种复合材料螺旋桨空泡性能的计算方法，它按以下步骤实现：

步骤一、使用三维建模软件CAD建立复合材料螺旋桨的几何模型，螺旋桨所在的坐 标系为笛卡尔坐标系，取X轴为螺旋桨的旋转轴，正X方向为来流方向；

步骤二、在网格划分软件中建立复合材料螺旋桨流体计算域并划分网格；

步骤三、流体基本设置：采用基于RANS方程的计算流体力学软件建立复合材料螺 旋桨水动力性能求解方程，设置求解参数，边界条件、启动动网格、定义复合材料螺旋桨桨 叶部分为流固耦合面，设置计算时间步为t₀及步长n；

步骤四、在AnsysWorkbench复合材料分析软件ACP中定义复合材料的弹性模量、 杨氏模量和泊松比，定义复合材料铺层角度及顺序对复合材料螺旋桨桨叶进行铺层，铺层 后生成含有复合材料属性及铺层特性的复合材料螺旋桨桨叶网格文件；

步骤五、利用结构计算软件的前处理器划分桨毂有限元网格；

步骤六、合并复合材料螺旋桨桨叶网格与桨毂有限元网格，在结构求解器中定义 复合材料螺旋桨桨叶与桨毂接触部分为固定约束，将复合材料螺旋桨桨叶部分设置为流固 耦合面，设置计算时间步t₀及结束时间t_a，其中t_a＝t₀·n；

步骤七、定义流固耦合计算中流体计算的水动力载荷与复合材料螺旋桨桨叶变形 量传递耦合面，流体部分的耦合面设置为耦合面1，结构部分的耦合面设置为耦合面2，耦合 顺序从耦合面1到耦合面2，流固耦合计算时间步t₀及结束时间t_a；

步骤八、建立复合材料螺旋桨流固耦合方程