[发明专利]一种复合材料轴流叶片主梁的设计方法

权利要求书

1.一种复合材料轴流叶片主梁的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：确定轴流叶片的载荷工况、外形尺寸、结构要求参数；

S2：根据步骤S1中确定的外形尺寸、结构要求，构建所述轴流叶片的结构模型，并选择所述轴流叶片主梁的主结构、蒙皮、叶根的复合材料，确定复合材料的性能参数；

S3：根据步骤S1中的参数、步骤S2中所述复合材料的性能参数，计算主结构的尺寸；

S4：根据步骤S1中的参数、步骤S2中所述复合材料的性能参数，计算蒙皮的结构尺寸；

S5：根据步骤S1中的参数、步骤S2中所述复合材料的性能参数、步骤S3中计算得到的主结构尺寸和步骤S4中计算得到的蒙皮结构尺寸，计算得到主梁铺层数和铺层顺序；

S6：输出设计方案。

2.根据权利要求1所述的复合材料轴流叶片主梁的设计方法，其特征在于，

步骤S1中，所述载荷工况包括所述轴流叶片的压力面载荷、吸力面载荷和最大变形量；所述结构要求为所述轴流叶片主梁具有两个主结构和两块蒙皮，两个所述主结构的一端粘接，另一端与所述叶根连接，两块所述蒙皮分别设置在两个所述主结构的外侧且所述蒙皮前后缘端部相互粘接；所述外形尺寸包括所述轴流叶片的厚度、所述轴流叶片的宽度、所述轴流叶片的弦长、所述主梁的长度、所述主结构的宽度；

步骤S2中，所述复合材料的性能参数包括纤维方向模量，纤维横向模量，泊松比，面内剪切模量，纤维方向拉伸强度，纤维方向压缩强度，纤维横向拉伸强度，纤维横向压缩强度，面内剪切强度，单层厚度；

步骤S2中，还包括将构建得到的所述结构模型进行结构划分的步骤；具体为：沿所述轴流叶片的长度方向将所述轴流叶片均分为N段，得到N个微元；其中，N≥2。

3.根据权利要求2所述的复合材料轴流叶片主梁的设计方法，其特征在于，步骤S3具体包括：

S31：计算一个微元上的主梁主结构的弯矩；

S32：根据步骤S31中计算得到的主梁主结构的弯矩、所述复合材料的纤维方向拉伸强度和纤维方向压缩强度，计算主梁主结构的最小抗弯强度，进而计算出主梁主结构的最小厚度；

S33：校核步骤S32中得到的所述主梁主结构的最小厚度是否满足轴流叶片的变形要求；若不满足，则增加所述主梁主结构的最小厚度，直至得到满足要求的最小厚度；

S34：重复步骤S31-步骤S33，计算出全部微元的主梁主结构的最小厚度，得到主梁主结构的结构尺寸。

4.根据权利要求3所述的复合材料轴流叶片主梁的设计方法，其特征在于，

步骤S31中，按照如下公式计算微元上的主梁弯矩：

其中，i表示N个微元中的第i个，i＝1,2,3…N；M_bi为第i个微元的主梁弯矩；o表示轴流叶片的压力面，x表示主梁长度方向，为所述轴流叶片的压力面载荷的沿主梁长度方向的中心线上的等效线载荷；n表示轴流叶片的吸力面，为所述轴流叶片的吸力面压力载荷的沿主梁长度方向的中心线上的等效线载荷；l_i为第i个微元的长度，l_i＝L/N，L为主梁的长度；为第i-1个微元吸力面的主梁弯矩；

步骤S32中，按照如下公式计算微元上的主梁主结构抗弯强度：

W_bi为第i个微元的主梁抗弯强度，X_t为纤维方向拉伸强度，X_c为纤维方向压缩强度，t_bi为第i个微元的主梁主结构的最小厚度，d_bi为第i个微元两侧主梁距离的一半，d为主结构的宽度；

步骤S33中，按照如下公式校核微元的主梁主结构的最小厚度：

其中，δ_bi＝(N-i)l_if_bi，

其中，δ_bi为第i个微元的最大变形量，δ为所述轴流叶片的最大变形量，E_x值取所述复合材料的纤维方向模量。