[发明专利]一种船用复合材料螺旋桨预变形优化方法

摘要

本发明涉及一种船用复合材料螺旋桨预变形优化方法，属于叶轮机械仿真技术领域。本发明通过建立复合材料螺旋桨有限元模型，并将其与复合材料螺旋桨计算流体力学模型进行双向流固耦合计算，基于结果提取出桨叶各叶切面上特征点处沿坐标方向的变形值，然后将该变形值反向叠加到螺旋桨坐标转换公式中进行预变形处理，最终得到预变形复合材料螺旋桨。本发明综合考虑了流固耦合作用下复合材料螺旋桨叶片变形引起的螺旋桨螺距角、侧斜及纵斜等几何参数的变化，提高了预变形设计的精确性；且本发明通用性较强、普适性较高；相比现有预变形设计方法，具有计算量小，计算简便，可实现参数化、程序化设计的优点，节省了大量的计算资源及时间。

主权项

1.一种船用复合材料螺旋桨预变形优化方法，其特征在于：采用以下步骤实现：步骤一：通过金属螺旋桨叶切面局部坐标系到全局坐标系的变换公式，即公式(1)，将金属螺旋桨各叶切面型值转换为三维笛卡尔坐标点；其中，x,y,z为螺旋桨三维笛卡尔坐标值；L_i为导边参数；R_i为各叶切面对应的半径值；(X，Y)为叶切面型值点；为螺距角；β为纵倾角；步骤二：将步骤一中求出的金属螺旋桨三维笛卡尔坐标点导入建模软件中构建金属螺旋桨几何模型，并将螺旋桨桨叶的压力面、吸力面及中面三个平面实体模型分别保存；步骤三：使用WorkBench平台中的ACP模块，以金属螺旋桨桨叶中面为对称面进行纤维复合材料铺层，导入步骤二中的保存好的桨叶压力面及吸力面模型，用于约束复合材料铺层外形，实现复合材料螺旋桨有限元模型的建立；所述纤维复合材料铺层方法为单向铺层或编织铺层；步骤四：将步骤三中建立完成的复合材料螺旋桨有限元模型导入结构有限元分析模块以计算桨叶结构响应，添加螺旋桨转速和固定约束作为边界条件，并将复合材料螺旋桨桨叶设置为流固耦合交界面；所述复合材料螺旋桨的结构控制方程为其中，[M_s]为结构质量矩阵，[C_s]为结构阻尼矩阵，[K_s]为结构刚度矩阵；{X}为结构位移、为结构速度、为结构加速度；{F_CFD}代表流固耦合作用下结构所受流场力；步骤五：采用复合材料螺旋桨流体动力分析模块，对复合材料螺旋桨流场进行雷诺时均N‑S方程求解，得到复合材料螺旋桨流场水动力载荷；步骤六：通过WorkBench平台中的System Coupling模块，将步骤四求解得到的桨叶结构响应与步骤五求解得到的复合材料螺旋桨流场水动力载荷，采用分步算法进行双向流固耦合计算；步骤七：根据步骤六中双向流固耦合计算所得结果，判断复合材料螺旋桨的水动力性能参数是否在设计工况下等同于金属螺旋桨，而在非设计工况下优于金属螺旋桨；并判断材料是否失效；若同时满足以上条件，则完成了复合材料螺旋桨的初步设计；步骤八：若不满足步骤七中任一判断标准，则需要对该复合材料螺旋桨进行预变形设计；首先在螺旋桨0.2R‑0.95R各叶切面型值表中同一弦长处(0.1c‑0.9c)确定两个特征点(X，Y_O)和(X，Y_U)，且所述两特征点分别位于吸力面及压力面上，即所述两特征点的X值相同，Y值分别为Y_O、Y_U；根据步骤一中的公式(1)，得到所述两特征点的三维笛卡尔坐标为(x_o，y_o，z_o)、(x_u，y_u，z_u)；步骤九：根据步骤六中所求的双向流固耦合计算结果，在结构有限元分析模块中分别提取出步骤八中所述两特征点沿X、Y、Z轴三个方向上的变形值，特征点(X，Y_O)的变形值为U_X1，U_Y1，U_Z1；特征点(X，Y_U)的变形值为U_X2，U_Y2，U_Z2；然后对步骤八中复合材料螺旋桨上的两特征点进行预变形，即将提取出的变形值反向叠加到所述两特征点的坐标中，得到该两特征点预变形坐标(x_o‑U_X1，y_o‑U_Y1，z_o‑U_Z1)、(x_u‑U_X2，y_u‑U_Y2，z_u‑U_Z2)；记经过预变形之后的两特征点坐标为(x_p1，y_p1，z_p1)、(x_p2，y_p2，z_p2)；且坐标(x_p1，y_p1，z_p1)和(x_p2，y_p2，z_p2)满足步骤十：将步骤九中两特征点的纵坐标相减得即可求出两特征点所在叶切面处预变形复合材料螺旋桨的螺距角重复步骤九、步骤十即可分别得到0.2R‑0.95R各叶切面预变形复合材料螺旋桨的螺距角步骤十一：将步骤十得到的预变形复合材料螺旋桨0.2R‑0.95R各叶切面的螺距角代入公式(1)中的中，可知0.2R‑0.95R各叶切面预变形复合材料螺旋桨的纵斜角β_p和导边参数L_pi；将得到的预变形复合材料螺旋桨的螺距角纵斜角β_p和导边参数L_pi分别代入步骤一中公式(1)，从而确定预变形复合材料螺旋桨叶片整体的三维笛卡尔坐标；步骤十二：基于步骤十一得到的预变形复合材料螺旋桨叶片整体的三维笛卡尔坐标，重复步骤二到步骤六，对新得到的复合材料船用螺旋桨叶片几何模型进行预变形，直至满足步骤七所述的复合材料船用螺旋桨水动力性能要求和结构强度要求，得到可实现全工况下复合材料船用螺旋桨高效航行的最佳几何外形，完成最终的预变形优化。