[发明专利]基于梁理论的一维复合材料翼型流固耦合特性预测方法

说明书

本发明公开的一种基于梁理论的一维复合材料翼型流固耦合特性预测方法，属于复合材料翼型结构变形和水动力性能预测技术领域。本发明实现方法为：建立一种通用的复合材料翼型水动力性能预测方法，基于梁理论受力‑变形关系建立复合材料翼型的运动学模型，结合流体动力计算的升力线法，形成简化一维流固耦合方法，分析大展弦比翼型在无限流域中的流固耦合特性，获得复合材料大展弦比翼型的水动力性能，基于梁理论实现一维复合材料翼型流固耦合特性预测。本发明有助于对复合材料的有效力学行为、物理行为深入分析及预测，能够应用于复合材料翼型的水弹性性能预测，解决复合材料翼型强度及稳定性等相关工程问题。本发明具有预测效率高和精度高的优点。

技术领域

本发明涉及一种复合材料翼型流固耦合性能预测方法，适用于大展弦比复合材料翼型的流固耦合特性预测，属于复合材料翼型结构变形和水动力性能预测技术领域。

背景技术

复合材料具有比刚度高、比强度高、疲劳性能好、磁/电效应低等优点，已广泛应用于各行各业。在航空航天领域，复合材料已广泛应用于直升机机翼的减振和减载。在早期海洋船舶领域，复合材料被应用于上层建筑、桅杆或甲板以减轻重量。近年来，复合材料螺旋桨因其在非设计工况下的被动变形可以提高性能和燃油效率，成为研究热点。由于复合材料设计参数较多，为了提升复合材料翼型优化效率，需要实现快速的流固耦合特性预测。

以往对复合材料的研究大多是基于均匀梁理论，研究对象都是沿宽度或弦向等厚的复合材料板，而应用于海洋船舶领域的螺旋桨，其截面通常是翼型。为了更好地预测复合材料翼型，基于各向异性薄壁封闭截面梁理论，建立复合材料翼型修正解析模型，研究复合材料翼型。

发明内容

本发明公开的基于梁理论的一维复合材料翼型流固耦合特性预测方法要解决的技术问题是：基于梁理论和翼型形状修正模型，结合流体动力计算的升力线法，求解复合材料翼型的流固耦合特性，预测复合材料翼型的水动力性能。本发明有助于对复合材料的有效力学行为、物理行为深入分析及预测。本发明能够有效预测复合材料翼型水动力特性，具有预测效率高和精度高的优点。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种基于梁理论的一维复合材料翼型流固耦合特性预测方法，建立一种通用的复合材料翼型水动力性能预测方法，基于梁理论受力-变形关系建立复合材料翼型的运动学模型，结合流体动力计算的升力线法，形成简化一维流固耦合方法，分析大展弦比翼型在无限流域中的流固耦合特性，获得复合材料大展弦比翼型的水动力性能，基于梁理论实现一维复合材料翼型流固耦合特性预测。本发明有助于对复合材料的有效力学行为、物理行为深入分析及预测，能够应用于复合材料翼型的水弹性性能预测，解决复合材料翼型强度及稳定性等相关工程问题。本发明能够有效预测复合材料翼型产生的水动力变形，具有预测效率高和精度高的优点。

本发明公开的一种基于梁理论的一维复合材料翼型流固耦合特性预测方法，包括如下步骤：

步骤一：根据薄壁封闭截面梁的受力-变形关系，通过对薄壁封闭截面在dz高度的积分，建立复合材料翼型截面的受力-变形关系式。

根据薄壁封闭截面梁的受力-变形关系，通过对薄壁封闭截面在dz高度的积分，将复合材料翼型的受力-变形关系表示为式(1)。式中，N,T,M_x和M_z分别为轴向力、扭矩、绕x、z轴的弯矩，U₁,U₂和h分别是沿x,y和z轴的变形，ψ是绕y轴的扭转角。运动学变量中的逗号表示关于y的微分。

其中，刚度矩阵[C′]如公式(2)所示，x₂(z)和x₁(z)是剖面中某z值的x的最大值和最小值。

其中A′、B′、C′如式(3)所示，矩阵是单个板的面内刚度系数的简化变换。