[发明专利]一种复合材料螺旋桨的多工况推进性能优化设计方法

摘要

一种复合材料螺旋桨的多工况推进性能优化设计方法，本发明涉及复合材料螺旋桨的多工况推进性能优化设计方法。本发明的目的是为了解决现有复合材料螺旋桨设计方法不完善的问题。具体过程为：一、开始；二、确定复合材料螺旋桨设计进速J⁰下的螺距值p_i⁰；三、设计进速为J¹时0.75R处θ_0.75R；四、计算α_0.75R；五、确定金属螺旋桨在设计进速为J¹时0.75R处的几何螺距角θ₁；六、确定复合材料螺旋桨在设计进速J¹的几何螺距角θ₁；七、选取复合材料铺层角度和顺序；八、设计出复合材料螺旋桨的初始几何；九、计算复合材料螺旋桨在进速J¹时的几何螺距角θ₁′；十、判断螺距角|θ₁′‑θ₁|，若|θ₁′‑θ₁|≥0.1°则执行七；若|θ₁′‑θ₁|＜0.1°则结束。本发明应用于螺旋桨领域。

主权项

1.一种复合材料螺旋桨的多工况推进性能优化设计方法，其特征在于一种复合材料螺旋桨的多工况推进性能优化设计方法具体是按照以下步骤进行的：步骤一、开始；步骤二、确定复合材料螺旋桨设计进速J⁰下的螺距值p_i⁰，其中i＝1,2......n，n为复合材料螺旋桨的径向半径数，取值为正整数；步骤三、采用面元法确定金属螺旋桨在设计进速为J¹时，0.75R处叶剖面的来流角度θ_0.75R；步骤四、计算金属螺旋桨主桨叶0.75R处叶剖面最大推进效率的来流攻角α_0.75R；步骤五、根据步骤三和步骤四确定金属螺旋桨在设计进速为J¹时，0.75R处叶剖面达到最大推进效率的几何螺距角；步骤六、根据步骤五确定复合材料螺旋桨在设计进速J¹，到达高于金属螺旋桨最大推进效率的几何螺距角θ₁；步骤七、根据步骤二选取复合材料铺层角度和顺序；步骤八、根据步骤七设计出复合材料螺旋桨的初始几何；步骤九、根据步骤八计算复合材料螺旋桨在进速J¹时的几何螺距角θ₁′；步骤十、根据步骤六和步骤九判断螺距角|θ₁′‑θ₁|，若|θ₁′‑θ₁|≥0.1°，则执行步骤七至步骤九；若|θ₁′‑θ₁|＜0.1°，则结束；所述步骤二中确定复合材料螺旋桨设计进速J⁰下的螺距值p_i⁰，其中i＝1,2......n，n为复合材料螺旋桨的径向半径数，取值为正整数；具体过程为：以金属螺旋桨的几何型值为基础参数，金属螺旋桨的设计进速为J⁰，径向螺距值为p_i⁰，其中i＝1,2......n，n为金属螺旋桨的径向半径数，取值为正整数；将金属螺旋桨的径向螺距值p_i⁰确定为复合材料螺旋桨设计进速J⁰下的螺距值p_i⁰；所述步骤三中采用面元法确定金属螺旋桨在设计进速为J¹时，0.75R处叶剖面导边前缘的来流角度；具体过程为：以格林公式为基础，利用Fortran语言编写金属螺旋桨面元法程序，根据金属螺旋桨速度场的求解模型求解金属螺旋桨速度场4πV(p)，根据金属螺旋桨速度场4πV(p)求解金属螺旋桨所在流域的扰动速度V(p)；其中，p为流场任意点，V(p)为金属螺旋桨所在流域的扰动速度，Q为螺旋桨表面上的点，为扰动势，为速度势跳跃，V₀为来流速度，n_Q为Q点法向向量，R_pQ为点p与点Q之间的距离，s_s为螺旋桨桨叶面，s_w为螺旋桨尾涡面，S为积分面，Q₁为尾涡面上的点，为点Q₁的法向量，为为点p与点Q₁之间的距离；利用金属螺旋桨速度场的求解模型，求解不同于设计进速J⁰的进速J¹下金属螺旋桨主桨叶的来流速度其中，P_0.75R为金属螺旋桨主桨叶0.75R处叶剖面导边前缘，R为半径，其中V_x为进速为J¹时金属螺旋桨主桨叶0.75R处x轴的来流速度，V_y为进速为J¹时金属螺旋桨主桨叶0.75R处y轴的来流速度，V_z为进速为J¹时金属螺旋桨主桨叶0.75R处z轴的来流速度；金属螺旋桨所在的坐标系为笛卡尔坐标系，旋转轴定义为x轴，x轴正向为来流速度方向，螺旋桨主桨叶所在的轴为y轴，坐标系遵守右手法则；根据求解出的进速为J¹下金属螺旋桨主桨叶的来流速度利用公式计算金属螺旋桨在设计进速为J¹时，0.75R处叶剖面导边前缘的来流角度θ_0.75R；所述步骤四中计算金属螺旋桨主桨叶0.75R处叶剖面最大推进效率的来流攻角；具体过程为：利用商用CFD软件建立金属螺旋桨主桨叶0.75R处叶剖面导边前缘的几何模型并划分流体计算域网格，求解金属螺旋桨主桨叶0.75R处叶剖面导边前缘在不同来流攻角α下的升力系数C_L和阻力系数C_D，绘制成升阻比曲线C_L/C_D‑α，升阻比C_L/C_D越大，金属螺旋桨主桨叶0.75R处叶剖面的推进效率越高，升阻比曲线C_L/C_D‑α最高点对应的来流攻角α即金属螺旋桨主桨叶0.75R处叶剖面导边前缘最大推进效率的来流攻角α_0.75R；所述步骤五中根据步骤三和步骤四确定金属螺旋桨在设计进速为J¹时，0.75R处叶剖面达到最大推进效率的几何螺距角；具体过程为：金属螺旋桨在设计进速为J¹时，当金属螺旋桨主桨叶0.75R处叶剖面与来流之间有夹角α_0.75R时，0.75R处叶剖面达到最大的推进效率，则0.75R处叶剖面达到最大的推进效率的几何螺距角为：θ_0.75R+α_0.75R；所述步骤六中根据步骤五确定复合材料螺旋桨在设计进速J¹，到达高于金属螺旋桨最大推进效率的几何螺距角θ₁；具体过程为：在进速为J¹时，当复合材料螺旋桨变形后的0.75R处叶剖面的几何螺距角与金属桨达到最大推进效率的几何螺距角相同时，复合材料螺旋桨达到高于原金属螺旋桨的推进效率，即复合材料螺旋桨在进速为J¹时的目标螺距角为θ₁；所述步骤七中根据步骤二选取复合材料铺层角度和顺序；具体过程为：选取复合材料铺层角度和顺序为为复合材料铺层角度为0°，为复合材料铺层角度为45°，为复合材料铺层角度为90°，[]_s为对称铺层；所述步骤八中根据步骤七设计出复合材料螺旋桨的初始几何；具体过程为：首先选取金属螺旋桨的几何为复合材料螺旋桨的模型1，根据步骤七中的铺层角度和顺序求解复合材料螺旋桨流固耦合计算方程计算出复合材料螺旋桨模型1在J⁰下的桨叶变形量1，将桨叶变形量1的负值映射到复合材料螺旋桨模型1桨叶上，得到新的复合材料螺旋桨模型2，再次计算复合材料螺旋桨模型2在J⁰下的桨叶变形量2，提取此时复合材料螺旋桨发生变形后的螺距值，比较此时的螺距值是否等于径向螺距值p_i⁰，如果等于，则将复合材料螺旋桨模型2确定为复合材料螺旋桨的初始几何，如果不等于，则再次将桨叶变形量2的负值映射到复合材料螺旋桨模型2上得到新的复合材料螺旋桨模型3，再次计算复合材料螺旋桨螺模型3在J⁰下的桨叶变形量3，提取此时复合材料螺旋桨发生变形后的螺距值，比较此时的螺距值是否等于径向螺距值p_i⁰，如果等于，则将复合材料螺旋桨模型3确定为复合材料螺旋桨的初始几何，如果不等于，则再次将桨叶变形量3的负值映射到复合材料螺旋桨模型3上得到新的复合材料螺旋桨模型4，重复新的复合材料螺旋桨模型3到新的复合材料螺旋桨模型4的过程直至在J⁰下复合材料螺旋桨模型n变形后螺距值与p_i⁰相同，此时将复合材料螺旋桨模型n确定为复合材料螺旋桨的初始几何；复合材料螺旋桨流固耦合计算方程为其中，[M]为质量矩阵，[C]为阻尼矩阵，[K]为刚度矩阵，为加速度向量，为速度向量，{u}为位移向量，F_ce为离心力，F_co为科里奥利力，F_h为外力；所述步骤九中根据步骤八计算复合材料螺旋桨在进速J¹时的几何螺距角θ₁′；具体过程为：根据步骤八中得到的复合材料螺旋桨初始几何，求解复合材料螺旋桨流固耦合计算方程计算复合材料螺旋桨初始几何在进速J¹发生变形后桨叶螺距角的改变值，将螺距角改变值映射到复合材料螺旋桨，提取0.75R处叶剖面的螺距值P₁'，计算出此时的螺距角θ₁′，其中θ₁′＝tan^‑1(P₁'/πD)；所述步骤十中判断螺距角|θ₁′‑θ₁|，若|θ₁′‑θ₁|≥0.1°，则执行步骤七；若|θ₁′‑θ₁|＜0.1°，则结束；具体过程为：比较步骤六和步骤九中螺距角θ₁′和θ₁，若|θ₁′‑θ₁|≥0.1°，则重复步骤七至步骤九的工作，改变复合材料铺层角度和顺序，重新计算复合材料螺旋桨的初始几何；若|θ₁′‑θ₁|＜0.1°，则结束。