[发明专利]一种船用复合材料螺旋桨预变形优化方法

说明书

本发明涉及一种船用复合材料螺旋桨预变形优化方法，属于叶轮机械仿真技术领域。本发明通过建立复合材料螺旋桨有限元模型，并将其与复合材料螺旋桨计算流体力学模型进行双向流固耦合计算，基于结果提取出桨叶各叶切面上特征点处沿坐标方向的变形值，然后将该变形值反向叠加到螺旋桨坐标转换公式中进行预变形处理，最终得到预变形复合材料螺旋桨。本发明综合考虑了流固耦合作用下复合材料螺旋桨叶片变形引起的螺旋桨螺距角、侧斜及纵斜等几何参数的变化，提高了预变形设计的精确性；且本发明通用性较强、普适性较高；相比现有预变形设计方法，具有计算量小，计算简便，可实现参数化、程序化设计的优点，节省了大量的计算资源及时间。

技术领域

本发明涉及一种船用复合材料螺旋桨预变形优化方法，属于叶轮机械仿真技术领域。

背景技术

应用复合材料代替传统金属材料制造螺旋桨可显著改善其水动力性能及振动特性。通过对复合材料纤维铺层的设计和桨叶结构的改进，复合材料螺旋桨可根据其承受的水动力载荷自适应地调整侧斜、纵倾和螺距分布以提高水动力性能。目前船用纤维复合材料螺旋桨大都采用金属螺旋桨的型值，没有考虑螺旋桨叶片流固耦合效应的影响，而复合材料螺旋桨叶片工作时会产生变形而导致推进效率降低，不能满足全工况船舶推进需求。为了提高螺旋桨推进效率，大量学者对复合材料螺旋桨双向流固耦合效应进行研究并提出复合材料螺旋桨预变形设计方法，其方法(CN101706832A)主要是将复合材料螺旋桨有限元模型各节点处的变形值进行反向叠加以得到预变形复合材料螺旋桨桨叶几何。但现有的预变形设计方法计算量太大，过于依赖有限元软件而不具通用性，没有细致考虑桨叶经流固耦合作用后侧斜、纵倾和螺距的变化。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有复合材料螺旋桨设计过程中未考虑桨叶经流固耦合作用后发生变形使侧斜、纵倾和螺距改变，导致复合材料螺旋桨推进效率下降的问题，提供一种船用复合材料螺旋桨预变形优化方法；该方法使得经过预变形设计的复合材料螺旋桨的推进效率在设计工况下与刚性桨等同，而在非设计工况下优于刚性桨，进而拓宽复合材料螺旋桨工作的高效区。

本发明为达到上述技术目标所采取的技术方案是：

一种船用复合材料螺旋桨预变形优化方法，采用以下步骤实现：

步骤一：通过金属螺旋桨叶切面局部坐标系到全局坐标系的变换公式，即公式(1)，将金属螺旋桨各叶切面型值转换为三维笛卡尔坐标点。

其中，x,y,z为螺旋桨三维笛卡尔坐标值；L_i为导边参数；R_i为各叶切面对应的半径值；(X，Y)为叶切面型值点；为螺距角；β为纵倾角。

步骤二：将步骤一中求出的金属螺旋桨三维笛卡尔坐标点导入建模软件中构建金属螺旋桨几何模型，并将螺旋桨桨叶的压力面、吸力面及中面三个平面实体模型分别保存。

步骤三：使用WorkBench平台中的ACP模块，以金属螺旋桨桨叶中面为对称面进行纤维复合材料铺层，导入步骤二中的保存好的桨叶压力面及吸力面模型，用于约束复合材料铺层外形，实现复合材料螺旋桨有限元模型的建立。

所述纤维复合材料铺层方法为单向铺层或编织铺层；

步骤四：将步骤三中建立完成的复合材料螺旋桨有限元模型导入结构有限元分析模块以计算桨叶结构响应，添加螺旋桨转速和固定约束作为边界条件，并将复合材料螺旋桨桨叶设置为流固耦合交界面。

所述复合材料螺旋桨的结构控制方程为其中，[M_s]为结构质量矩阵，[C_s]为结构阻尼矩阵，[K_s]为结构刚度矩阵；{X}即结构位移、即结构速度、即结构加速度；{F_CFD}代表流固耦合作用下结构所受流场力。