[發明專利]碳纖維復合材料船用螺旋槳的設計方法

無效

• 申請號: 200910073261.5
• 申請日: 2009-11-25
• 公開（公告）號: CN101706833A
• 公開（公告）日: 2010-05-12
• 發明（設計）人: 赫曉東;洪毅;王榮國
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;B63H1/14
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 畢志銘

1.一種碳纖維復合材料船用螺旋槳的設計方法，其特征在于所述設計方法由以下步驟實現的：

步驟一：用單向碳纖維或斜紋碳纖維布與環氧樹脂復合，制作碳纖維復合材料標準試件，并完成試驗測試，獲取彈性常數，泊松比性能參數，其中彈性常數為EX＝1.1e11Pa，EY＝EZ＝8.97e9Pa，泊松比0.34、剪切模量3.9e9Pa；

步驟二：根據MAU型金屬螺旋槳的幾何型值，使用三維實體構型軟件UG構建碳纖維復合材料螺旋槳的幾何模型；

步驟三：將碳纖維復合材料螺旋槳的幾何模型導入有限元軟件ANSYS中，選取單元類型SOLID46對其進行網格劃分，并結合步驟一中實驗獲取的材料性能參數及初步設計選定的鋪層方式?構建碳纖維復合材料螺旋槳葉的有限元模型；

步驟四：將碳纖維復合材料螺旋槳的幾何模型導入計算流體力學分析軟件的前處理器GAMBIT，建立流體域，完成流體網格的劃分；

步驟五：結合碳纖維復合材料螺旋槳的運行工況，即進速比J＝V_a/nD，轉速n及水動力性能即推力系數K_T＝T/ρn²D⁴，扭矩系數K_Q＝Q/ρn²D⁵，效率η＝JK_T/2πK_Q的設計要求，建立基于RANS方程的流體動力學計算分析模型，如公式(1)

其中u為笛卡爾坐標系統下的速度矢量，p是靜態壓力，μ是分子粘度，?是Reynolds應力，Si是源項，求解RANS方程，從而獲取流動速度及作用在纖維增強復合材料船用螺旋槳上的水動力；?

步驟六：將碳纖維復合材料船用螺旋槳的有限元模型與流體動力學計算分析模型相耦合，獲得碳纖維復合材料船用螺旋槳的流固耦合計算方程，如公式(2)：

其中dA是流體與結構的相互作用邊界，n是外部法向矢量，P_r是葉片旋轉產生的水動壓力，P_v是葉片彈性變形產生的水動壓力，{u}是局部節點位移矢量，{F_ext}{F_h}和{F_r}依次是外力，流體力和離心載荷，[K_l]，[K₀]，[K_g]和[K_r]依次是線性剛度矩陣，初始位移矩陣，幾何矩陣和旋轉剛度矩陣，使用Newton-Raphson方法求解該方程，完成迭代收斂計算，從而獲取該幾何外形及結構形式下纖維增強復合材料船用螺旋槳的水動力性能特征及幾何非線性結構響應情況即應力和變形；

步驟七：根據流固耦合計算獲取的結果，判斷其是否滿足碳纖維復合材料船用螺旋槳水動力的性能要求以及剛度的設計要求，即推力系數達到0.2555，扭矩系數達到0.04245，如果滿足，則完成碳纖維復合材料船用螺旋槳的初步設計；

步驟八：如果不滿足水動力和剛度設計要求，則需要對碳纖維復合材料船用螺旋槳實施預變形：首先在有限元軟件中提取葉片各節點的幾何坐標即X，Y，Z，然后根據流-固耦合計算結果，在X、Y、Z軸方向上提取葉片各節點處變形值即UX，UY，UZ，接下來結合葉形所受流體力的分布情況，在步驟二中的MAU型金屬螺旋槳槳葉型幾何外形的基礎上實行預先變形，在X、Y、Z軸方向上使各節點坐標取值為X+UX，Y+UY，Z+UZ，從而確定新的碳纖維復合材料船用螺旋槳葉片的幾何形式；?

步驟九：在新的碳纖維復合材料船用螺旋槳葉片幾何形式的基礎上，重復步驟二～步驟八的過程，對新的碳纖維復合材料船用螺旋槳葉片幾何外形實行預先變形，直至滿足碳纖維復合材料船用螺旋槳的水動力性能要求，完成碳纖維復合材料船用螺旋槳的初步設計，獲取適合于碳碳纖維復合材料船用螺旋槳的幾何外形；

步驟十：將單向碳纖維復合材料與斜紋碳纖維復合材料以不同的順序，即單向碳纖維復合材料及斜紋碳纖維的疊放方式，單向碳纖維復合材料放在葉片的最外表面、中間或最內層，單向碳纖維復合材料與斜紋碳纖維復合材料的角度按0°，±15°，±45°及90°堆放；

步驟十一：根據步驟三構建有限元模型，利用ansys軟件完成自由振動模態分析，求解動力學方程，其動力學方程如下：

其中M為質量，C為阻尼，K為剛度矩陣，?為加速度，?為速度，U為位移矢量；提取復合材料螺旋槳的多階固有頻率，然后與設計要求的頻率范圍相比較，判斷該結構內部形式下的螺旋槳的固有頻率是否能夠有效規避共振區及鐘乳區，如果不能滿足，則調整鋪層順序及鋪放角度0°、±15°、±45°及90°，最后，針對四葉MAU改進型碳纖維復合材料螺旋槳，選取的材料堆放方式為?

步驟十二：根據最終確定的碳纖維復合材料螺旋槳槳葉的幾何外形及內部結構形式，根據步驟二～步驟六，獲取槳葉根部各節點所受到的力和力矩，相對于槳轂中心點處積分，然后求和，從而獲取槳轂受到的力；

步驟十三：初步設定槳轂鋁合金內壁尺寸，尺寸范圍是3～10mm，槳轂的?外部用碳纖維復合材料包裹，計算在步驟十二中獲取的槳轂受到的力作用下，由碳纖維復合材料包覆金屬內壁的槳轂是否滿足使用材料的強度及界面結合要求；

步驟十四：如果碳纖維復合材料包覆金屬內壁的槳轂滿足使用材料的強度及界面結合要求，則確定初步選定的內壁尺寸為最終的槳轂金屬內壁尺寸；如果不符合要求，則加厚內壁尺寸1～3mm，再次校核，直至滿足要求為止。?