[发明专利]一种复合材料螺旋桨空泡性能的计算方法

摘要

一种复合材料螺旋桨空泡性能的计算方法，本发明涉及复合材料螺旋桨空泡性能的计算方法。本发明是要解决现有方法会因产生空泡影响螺旋桨的水动力性能，降低推进效率，严重影响舰船的隐蔽性，剥蚀螺旋桨表面材料，造成表面材料缺陷并且影响螺旋桨的水动力性能，而提出了一种复合材料螺旋桨空泡性能的计算方法。建立几何模型；网格划分；结构与流体设置；结构与流体计算；导出变形后几何模型；重新划分网格；空泡性能计算。本发明应用于螺旋桨领域。

主权项

一种复合材料螺旋桨空泡性能的计算方法，其特征在于它按以下步骤实现：步骤一、使用三维建模软件CAD建立复合材料螺旋桨的几何模型，螺旋桨所在的坐标系为笛卡尔坐标系，取X轴为螺旋桨的旋转轴，正X方向为来流方向；步骤二、在网格划分软件中建立复合材料螺旋桨流体计算域并划分网格；步骤三、流体基本设置：采用基于RANS方程的计算流体力学软件建立复合材料螺旋桨水动力性能求解方程，设置求解参数，边界条件、启动动网格、定义复合材料螺旋桨桨叶部分为流固耦合面，设置计算时间步为t₀及步长n；步骤四、在Ansys Workbench复合材料分析软件ACP中定义复合材料的弹性模量、杨氏模量和泊松比，定义复合材料铺层角度及顺序对复合材料螺旋桨桨叶进行铺层，铺层后生成含有复合材料属性及铺层特性的复合材料螺旋桨桨叶网格文件；步骤五、利用结构计算软件的前处理器划分桨毂有限元网格；步骤六、合并复合材料螺旋桨桨叶网格与桨毂有限元网格，在结构求解器中定义复合材料螺旋桨桨叶与桨毂接触部分为固定约束，将复合材料螺旋桨桨叶部分设置为流固耦合面，设置计算时间步t₀及结束时间t_a，其中t_a＝t₀·n；步骤七、定义流固耦合计算中流体计算的水动力载荷与复合材料螺旋桨桨叶变形量传递耦合面，流体部分的耦合面设置为耦合面1，结构部分的耦合面设置为耦合面2，耦合顺序从耦合面1到耦合面2，流固耦合计算时间步t₀及结束时间t_a；步骤八、建立复合材料螺旋桨流固耦合方程$\{\[K_l\]+\[K_0\]+\[K_g\]-\[K_r\]\}\left\{u\right\}-\underset{A}{\∫}{\[N\]}^{T}n\left\{P_v\right\}dA=\left\{F_{ext}\right\}+\left\{F_r\right\}+\underset{A}{\∫}{\[N\]}^{T}n\left\{P_r\right\}dA,$其中[K_l]为线性刚度矩阵，[K₀]为初始位移矩阵，[K_g]为几何矩阵，[K_r]为旋转刚度矩阵，{u}为位移向量，[N]为位移插值函数矩阵，n为外法向量，dA为流体和固体耦合面，P_v为叶片旋转产生的水动压力，P_r为叶片弹性变形产生的水动压力，{F_ext}为外力，{F_r}为离心载荷，求解上述方程，获得复合材料螺旋桨桨叶变形量和复合材料螺旋桨水动力；步骤九、使用通用语言编写命令读取复合材料螺旋桨桨叶变形量，将变形量映射到步骤一中的几何模型上，重构复合材料螺旋桨的几何模型，生成通用网格划分软件的输入文件格式；步骤十、重新划分重构的复合材料螺旋桨流体计算域，在重构的复合材料螺旋桨桨叶表面划分边界层，设置复合材料螺旋桨空泡性能求解参数，采用k‑ω SST湍流模型求解复合材料螺旋桨的空泡性能。