[發(fā)明專利]碳纖維復(fù)合材料船用螺旋槳的設(shè)計(jì)方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910073261.5
• 申請日: 2009-11-25
• 公開（公告）號: CN101706833A
• 公開（公告）日: 2010-05-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 赫曉東;洪毅;王榮國
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 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(biāo)事務(wù)所 23109
• 代理人: 畢志銘

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種螺旋槳的設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

20世紀(jì)70年代以來，隨著各類新型艦艇及高速船舶日益發(fā)展，世界上的船舶噸位和主機(jī)功率迅速增大，對螺旋槳振動、噪聲以及推進(jìn)性能的要求也顯著提高。與傳統(tǒng)的金屬螺旋槳相比，碳纖維復(fù)合材料船用螺旋槳具有低振動、低噪音、輕質(zhì)高效、耐海水腐蝕和易維修的特點(diǎn)。由于碳纖維復(fù)合材料與金屬材料之間有著本質(zhì)的區(qū)別，因此在螺旋槳的設(shè)計(jì)上存在著較大差異。

目前，碳纖維復(fù)合材料在船舶領(lǐng)域的廣泛使用給螺旋槳的設(shè)計(jì)者提供了全新的契機(jī)。與傳統(tǒng)的金屬材料相比，碳纖維復(fù)合材料具有材料體系多樣性，比強(qiáng)度比剛度高，阻尼性能優(yōu)異，結(jié)構(gòu)組成形式可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，這就為螺旋槳多方面性能要求(推進(jìn)性能、噪聲、質(zhì)量)的滿足提供了基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的碳纖維復(fù)合材料船用螺旋槳采用金屬螺旋槳型值，沒有考慮到螺旋槳在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)狀況下的流-固耦合作用，導(dǎo)致現(xiàn)有的碳纖維復(fù)合材料螺旋槳效率低，不能有效滿足艦船推進(jìn)性能的要求。目前碳纖維復(fù)合材料螺旋槳的設(shè)計(jì)以及制備還處在起步階段，缺乏系統(tǒng)完善的碳纖維復(fù)合材料螺旋槳設(shè)計(jì)方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決目前碳纖維復(fù)合材料螺旋槳的設(shè)計(jì)方法不完善的問題，進(jìn)而提供了一種碳纖維復(fù)合材料船用螺旋槳的設(shè)計(jì)方法。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是：所述優(yōu)化設(shè)計(jì)方法由以下步驟實(shí)現(xiàn)的：

步驟一：用單向碳纖維或斜紋碳纖維布與環(huán)氧樹脂復(fù)合，制作碳纖維復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)試件，并完成試驗(yàn)測試，獲取彈性常數(shù)，泊松比性能參數(shù)，其中彈性常數(shù)為EX＝1.1e11Pa，EY＝EZ＝8.97e9Pa，泊松比0.34、剪切模量3.9e9Pa；

步驟二：根據(jù)MAU型金屬螺旋槳的幾何型值，使用三維實(shí)體構(gòu)型軟件UG構(gòu)建碳纖維復(fù)合材料螺旋槳的幾何模型；

步驟三：將碳纖維復(fù)合材料螺旋槳的幾何模型導(dǎo)入有限元軟件ANSYS中，選取單元類型SOLID46對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并結(jié)合步驟一中實(shí)驗(yàn)獲取的材料性能參數(shù)及初步設(shè)計(jì)選定的鋪層方式構(gòu)建碳纖維復(fù)合材料螺旋槳葉的有限元模型；

步驟四：將碳纖維復(fù)合材料螺旋槳的幾何模型導(dǎo)入計(jì)算流體力學(xué)分析軟件的前處理器GAMBIT，建立流體域，完成流體網(wǎng)格的劃分；

步驟五：結(jié)合碳纖維復(fù)合材料螺旋槳的運(yùn)行工況(進(jìn)速比J＝V_a/nD，轉(zhuǎn)速n，)及水動力性能(推力系數(shù)K_T＝T/ρn²D⁴，扭矩系數(shù)K_Q＝Q/ρn²D⁵，效率η＝JK_T/2πK_Q)的設(shè)計(jì)要求，建立基于RANS方程的流體動力學(xué)計(jì)算分析模型，如公式(1)