[发明专利]基于声固耦合的复合材料螺旋桨预应力湿模态预测方法

权利要求书

1.基于声固耦合的复合材料螺旋桨预应力湿模态预测方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一：根据螺旋桨坐标变换原理，得出螺旋桨从切面型值到三维坐标值的变换公式，如公式(1)所示：

公式(1)中，x、y、z为螺旋桨三维坐标值，W为导边至最厚处长度，R_i为螺旋桨切面对应的不同半径，X、Y为半径R_i处切面型值，为螺距角，θ为后倾角；

步骤二：将步骤一得出的螺旋桨三维坐标值导入三维建模软件生成金属螺旋桨模型，同时将金属螺旋桨的压力面模型、吸力面模型分别保存，获取金属螺旋桨的中面几何模型，金属螺旋桨叶面坐标值与叶背坐标值之和的一半即为金属螺旋桨中面坐标值，将金属螺旋桨中面坐标值导入三维建模软件能够得出金属螺旋桨的中面几何模型；

步骤三：将步骤二中的金属螺旋桨的中面几何模型导入基于复合材料力学理论和复合材料层合板理论的复合材料建模、分析专用软件，完成金属螺旋桨的中面几何模型的网格划分，在复合材料建模、分析专用软件中，设置单层玻璃纤维的材料属性，并创建纤维层、厚度及子层合板，将金属螺旋桨的中面几何模型作为对称中心进行纤维复合材料铺层，设定复合材料螺旋桨复合材料层合板各铺层材料性能及角度，导入步骤二中的金属螺旋桨的压力面模型和吸力面模型来约束复合材料螺旋桨外形，最终实现复合材料螺旋桨模型的建立和复合材料螺旋桨模型网格划分；

步骤四：将复合材料螺旋桨模型导入通用机械分析模块，同时建立相应的流场区域，利用通用机械分析模块的网格划分功能完成流场区域的网格划分；

步骤五：将复合材料建模、分析专用软件与通用机械分析模块所建立的复合材料螺旋桨三维模型与网格划分导入模态分析模块，根据声学分析方法的亥姆霍兹方程，在压力、密度波动非常小，流体不可压缩，并忽略二次高阶项的条件下，简化亥姆霍兹方程为线性波动方程，线性波动方程如公式(2)所示：

公式(2)中，c为流体介质声速，t为时间，k为流体体积模量，ρ为流体密度，P为声压力；

步骤六：在流场区域内对公式(2)进行积分，将声压力P以及复合材料螺旋桨的位移u，分别通过流体单元形函数{N}、复合材料螺旋桨位移单元形函数{N'}、节点压力矢量{P_e}和节点位移矢量{u_e}来表示，如公式(3)、公式(4)所示：

P＝{N}^T{P_e} (3)

u＝{N′}^T{u_e} (4)

则公式(2)进一步表示为：

公式(5)中，为流体质量矩阵，为流体阻尼矩阵，为流体刚度矩阵，ρ₀[R_e]为流固耦合界面的耦合质量矩阵；

步骤七：将静态结构分析系统与模态分析模块相关联，建立预应力，进行分析设置：

将复合材料螺旋桨叶根处设定为固定端，复合材料螺旋桨叶面与流场区域交界面则设定为流固耦合交界面，流场区域设定为声学体，设定流体的密度和传播声速，并将流场区域外表面设定为壁面，且对流场区域外边界施加压力为0的约束，使压力波在流场区域边界无反射，从而实现无限域的模拟，将几何形状设置为复合材料螺旋桨，然后能够得出复合材料螺旋桨的第一阶预应力湿模态，设置分析的阶数，能够得出复合材料螺旋桨相应阶数的预应力湿模态频率及振型；

步骤八：基于步骤一到步骤七能够得出复合材料螺旋桨预应力湿模态下的固有频率，还能够得出预应力湿模态下复合材料螺旋桨振型，完成最终的模态分析，模态分析结果能够为复合材料螺旋桨的振动及噪声准确预测、动力调频及流体弹性分析提供基础，能够应用于螺旋桨振动及噪声研究领域、复合材料螺旋桨铺层角优化领域及叶轮机械仿真技术领域。

2.如权利要求1所述的基于声固耦合的复合材料螺旋桨预应力湿模态预测方法，其特征在于：所述复合材料为玻璃纤维增强聚合物。

3.如权利要求1所述的基于声固耦合的复合材料螺旋桨预应力湿模态预测方法，其特征在于：步骤一中所述公式(1)为螺旋桨从切面型值到三维坐标值的变换公式。