[发明专利]提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法。

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，需要同时考虑流体与结构 的影响，大大增加了研究工作的难度。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。

复合材料螺旋桨的研究工作分为试验研究、理论研究和数值计算，试验研究结果较为 可靠，但是由于复合材料制备工艺复杂、以及试验条件的限制，试验研究不适合进行大量 研究工作。在理论研究方面，由于复合材料螺旋桨涉及流体性能与结构性能两大方向，耦 合方程直接求解困难。随着计算机技术的提高和数值求解方法的不断完善，数值计算方式 逐渐应用于复合材料螺旋桨的预报工作。然而复合材料螺旋桨的数值研究工作还不够完 善，计算精度远远不够，需不断改进算法提高精度。

发明内容

本发明的目的是为了解决复合材料螺旋桨的数值研究工作涉及的流固耦合计算精度 低的问题，而提出一种提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法。

一种提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、使用三维CAD建模软件建立复合材料螺旋桨的几何模型；

步骤二、在网格处理器中为复合材料螺旋桨创建流体计算域并划分网格；

步骤三、采用基于RANS方程的计算流体力学软件，进行设置复合材料螺旋桨水动 力性能求解参数、定义流固耦合面以及设置求解时间步的过程；

步骤四、在ACP中定义纤维增强材料的弹性常数、铺层角度，对螺旋桨桨叶进行铺 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、划分桨毂有限元网格；

步骤六、合并桨叶复合材料网格与桨毂网格，在结构求解器中定义固定约束条件、定 义流固耦合面、设置求解时间步；

步骤七、建立复合材料螺旋桨流固耦合计算方程，定义流固耦合面及耦合顺序，设置 流固耦合计算时间步及结束时间；

步骤八、在第一个时间步内求解复合材料螺旋桨流固耦合计算方程，求得复合材料螺 旋桨桨叶变形量和水动力性能；

步骤九、根据求得的桨叶变形量对流体计算域内网格进行重新划分；

步骤十、调用编写的UDF程序，控制变形后复合材料螺旋桨流体计算域的边界层网 格；

步骤十一、进入下一个时间步，对变形后的复合材料螺旋桨进行流固耦合计算，求解 复合材料螺旋桨桨叶变形量和水动力性能；

步骤十二、重复步骤九到十一，在流固耦合终止时间步结束流固耦合计算。

本发明的有益效果为

复合材料螺旋桨流固耦合方式计算过程中，在一个时间步完成后，螺旋桨桨叶发生变 形，流体计算域内的网格需要重新划分以适应新的边界，网格重新划分后螺旋桨桨叶表面 的第一层边界层厚度发生变化，如果不加以控制，则不能保证水动力性能的计算精度，即 使计算得到收敛，计算结果也不准确，因此需要对每个时间步后桨叶面的边界层进行控制， 提高计算准确性及精度。本发明利用UDF控制每个时间步内的边界层高度，提高每个时 间步计算的水动力性能计算精度，从而保证流固耦合计算结果的准确性。

同时，考虑流固耦合变形后流体计算的边界层问题，在网格重构过程中考虑边界层高 度并重新划分，有利于提高水动力的计算精度，可使收敛速度加快保证流固耦合计算的准 确性。

考虑不同工况下的来流情况，在UDF中加入螺旋桨雷诺数的计算公式，能够准确计 算边界层高度，更有利于提高水动力计算准确性。

附图说明

图1为本发明的流程图；

具体实施方式

具体实施方式一：

本实施方式的提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法，由于纤维的各向异性， 复合材料螺旋桨桨叶铺向角度和厚度的改变也会使整个桨叶的弹性参数发生变化，不能单 独使用一组参数定义复合材料桨叶的材料属性，需借助复合材料前处理工具设置桨叶的复 合材料结构，所述方法通过以下步骤实现：