[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

说明书

本发明涉及基于声固耦合的复合材料螺旋桨预应力湿模态预测方法，属于叶轮机械仿真技术领域。本发明基于有限元原理，将复合材料螺旋桨的流固耦合湿模态预测通过声固耦合方法实现，通过建立复合材料螺旋桨模型，同时建立相应的流场区域，对复合材料螺旋桨模型模型和流场区域进行网格划分，导入预应力，然后进行分析参数设置，最后输出模态分析结果，能够得出预应力湿模态频率及振型。本发明可预测复合材料螺旋桨在各种振源作用下产生的实际振动响应，充分考虑流体的附加质量的影响，能够实现对复合材料螺旋桨预应力湿模态的高精度预测，提高预测的真实度与可信度。

技术领域

本发明涉及基于声固耦合的复合材料螺旋桨预应力湿模态预测方法，属于叶轮机械仿真技术领域。

背景技术

近年来，玻璃纤维增强聚合物基复合材料逐渐用于螺旋桨的研究与设计制造，相较于传统金属螺旋桨，复合材料螺旋桨具有高比强度、高比模量、轻质、耐疲劳、阻尼减振性好的优点，而且能够通过改变纤维铺层方向控制结构变形。与此同时，采用复合材料代替传统金属必须考虑其结构振动特性，螺旋桨在流场中运转时受到流场影响，结构的固有振动特性和响应与在空气中不同，流体的附加质量会对固有模态产生影响。当螺旋桨处于空气中时，模态分析为干模态；而当螺旋桨处于流体中时，模态分析是流固耦合问题，流体与固体介质交互作用，固体结构在流体载荷作用下会变形，而结构的变形反过来又对流场造成影响，从而引起流体载荷的大小和分布发生变化，因此必须采用湿模态方法对螺旋桨进行分析。

复合材料螺旋桨在流体中旋转时，会受到如离心力、流体动力、温差、振动的激励力的综合作用，复合材料螺旋桨桨叶的响应幅值随着激励力的振动频率的变化而变化，当施加外力的振动频率与复合材料螺旋桨的固有频率接近时，便会产生共振，共振会产生疲劳损伤，降低复合材料螺旋桨的使用寿命和推进效率，严重时还会发生复合材料螺旋桨断裂事故。所以，预防和避免共振现象时十分必要，需要了解复合材料螺旋桨的水下湿模态特性，为复合材料螺旋桨的动力调频及水弹性分析提供基础。

发明内容

本发明的目的是提出基于声固耦合的复合材料螺旋桨预应力湿模态预测方法，基于有限元方法，将复合材料螺旋桨的流固耦合湿模态预测通过声固耦合方法实现。通过基于声固耦合的复合材料螺旋桨预应力湿模态预测，能够识别出系统的模态参数，能够预测复合材料螺旋桨在各种振源作用下产生的实际振动响应。本发明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。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明基于有限元原理，将复合材料螺旋桨的流固耦合湿模态预测通过声固耦合方法实现，通过建立复合材料螺旋桨模型，同时建立相应的流场区域，对复合材料螺旋桨和流场区域进行网格划分，导入预应力，设定复合材料螺旋桨的叶根处为固定端，设定复合材料螺旋桨的叶面与流场区域交界面为流固耦合交界面，然后进行分析设置，最后输出分析结果，能够得到复合材料螺旋桨的预应力湿模态频率及振型。本发明能够预测复合材料螺旋桨在各种振源作用下产生的实际振动响应，充分考虑了流体的附加质量的影响，能够实现对复合材料螺旋桨预应力湿模态的高精度预测，提高了预应力湿模态预测的真实度与可信度。本发明能够应用于复合材料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。

本发明公开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，包括如下步骤：

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。