[發明專利]一種復合材料螺旋槳的多工況推進性能優化設計方法

有效

• 申請號: 201511009110.5
• 申請日: 2015-12-28
• 公開（公告）號: CN105677945B
• 公開（公告）日: 2019-10-22
• 發明（設計）人: 王榮國;張旭婷;劉文博;赫曉東;洪毅;矯維成
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 楊立超

1.一種復合材料螺旋槳的多工況推進性能優化設計方法，其特征在于一種復合材料螺旋槳的多工況推進性能優化設計方法具體是按照以下步驟進行的：

步驟一、開始；

步驟二、確定復合材料螺旋槳設計進速J⁰下的螺距值p_i⁰，其中i＝1,2......n，n為復合材料螺旋槳的徑向半徑數，取值為正整數；

步驟三、采用面元法確定金屬螺旋槳在設計進速為J¹時，0.75R處葉剖面的來流角度θ_0.75R；

步驟四、計算金屬螺旋槳主槳葉0.75R處葉剖面最大推進效率的來流攻角α_0.75R；

步驟五、根據步驟三和步驟四確定金屬螺旋槳在設計進速為J¹時，0.75R處葉剖面達到最大推進效率的幾何螺距角；

步驟六、根據步驟五確定復合材料螺旋槳在設計進速J¹，到達高于金屬螺旋槳最大推進效率的幾何螺距角θ₁；

步驟七、根據步驟二選取復合材料鋪層角度和順序；

步驟八、根據步驟七設計出復合材料螺旋槳的初始幾何；

步驟九、根據步驟八計算復合材料螺旋槳在進速J¹時的幾何螺距角θ₁′；

步驟十、根據步驟六和步驟九判斷螺距角|θ₁′-θ₁|，若|θ₁′-θ₁|≥0.1°，則執行步驟七至步驟九；若|θ₁′-θ₁|＜0.1°，則結束；

所述步驟二中確定復合材料螺旋槳設計進速J⁰下的螺距值p_i⁰，其中i＝1,2......n，n為復合材料螺旋槳的徑向半徑數，取值為正整數；具體過程為：

以金屬螺旋槳的幾何型值為基礎參數，金屬螺旋槳的設計進速為J⁰，徑向螺距值為p_i⁰，其中i＝1,2......n，n為金屬螺旋槳的徑向半徑數，取值為正整數；將金屬螺旋槳的徑向螺距值p_i⁰確定為復合材料螺旋槳設計進速J⁰下的螺距值p_i⁰；

所述步驟三中采用面元法確定金屬螺旋槳在設計進速為J¹時，0.75R處葉剖面導邊前緣的來流角度；具體過程為：

以格林公式為基礎，利用Fortran語言編寫金屬螺旋槳面元法程序，根據金屬螺旋槳速度場的求解模型求解金屬螺旋槳速度場4πV(p)，根據金屬螺旋槳速度場4πV(p)求解金屬螺旋槳所在流域的擾動速度V(p)；

其中，p為流場任意點，V(p)為金屬螺旋槳所在流域的擾動速度，Q為螺旋槳表面上的點，為擾動勢，為速度勢跳躍，V₀為來流速度，n_Q為Q點法向向量，R_pQ為點p與點Q之間的距離，s_s為螺旋槳槳葉面，s_w為螺旋槳尾渦面，S為積分面，Q₁為尾渦面上的點，為點Q₁的法向量，為為點p與點Q₁之間的距離；

利用金屬螺旋槳速度場的求解模型，求解不同于設計進速J⁰的進速J¹下金屬螺旋槳主槳葉的來流速度

其中，P_0.75R為金屬螺旋槳主槳葉0.75R處葉剖面導邊前緣，R為半徑，其中V_x為進速為J¹時金屬螺旋槳主槳葉0.75R處x軸的來流速度，V_y為進速為J¹時金屬螺旋槳主槳葉0.75R處y軸的來流速度，V_z為進速為J¹時金屬螺旋槳主槳葉0.75R處z軸的來流速度；金屬螺旋槳所在的坐標系為笛卡爾坐標系，旋轉軸定義為x軸，x軸正向為來流速度方向，螺旋槳主槳葉所在的軸為y軸，坐標系遵守右手法則；

根據求解出的進速為J¹下金屬螺旋槳主槳葉的來流速度利用公式計算金屬螺旋槳在設計進速為J¹時，0.75R處葉剖面導邊前緣的來流角度θ_0.75R；

所述步驟四中計算金屬螺旋槳主槳葉0.75R處葉剖面最大推進效率的來流攻角；具體過程為：

利用商用CFD軟件建立金屬螺旋槳主槳葉0.75R處葉剖面導邊前緣的幾何模型并劃分流體計算域網格，求解金屬螺旋槳主槳葉0.75R處葉剖面導邊前緣在不同來流攻角α下的升力系數C_L和阻力系數C_D，繪制成升阻比曲線C_L/C_D-α，升阻比C_L/C_D越大，金屬螺旋槳主槳葉0.75R處葉剖面的推進效率越高，升阻比曲線C_L/C_D-α最高點對應的來流攻角α即金屬螺旋槳主槳葉0.75R處葉剖面導邊前緣最大推進效率的來流攻角α_0.75R；

所述步驟五中根據步驟三和步驟四確定金屬螺旋槳在設計進速為J¹時，0.75R處葉剖面達到最大推進效率的幾何螺距角；具體過程為：

金屬螺旋槳在設計進速為J¹時，當金屬螺旋槳主槳葉0.75R處葉剖面與來流之間有夾角α_0.75R時，0.75R處葉剖面達到最大的推進效率，則0.75R處葉剖面達到最大的推進效率的幾何螺距角為：θ_0.75R+α_0.75R；

所述步驟六中根據步驟五確定復合材料螺旋槳在設計進速J¹，到達高于金屬螺旋槳最大推進效率的幾何螺距角θ₁；具體過程為：

在進速為J¹時，當復合材料螺旋槳變形后的0.75R處葉剖面的幾何螺距角與金屬槳達到最大推進效率的幾何螺距角相同時，復合材料螺旋槳達到高于原金屬螺旋槳的推進效率，即復合材料螺旋槳在進速為J¹時的目標螺距角為θ₁；

所述步驟七中根據步驟二選取復合材料鋪層角度和順序；具體過程為：

選取復合材料鋪層角度和順序為為復合材料鋪層角度為0°，為復合材料鋪層角度為45°，為復合材料鋪層角度為90°，[]_s為對稱鋪層；

所述步驟八中根據步驟七設計出復合材料螺旋槳的初始幾何；具體過程為：

首先選取金屬螺旋槳的幾何為復合材料螺旋槳的模型1，根據步驟七中的鋪層角度和順序求解復合材料螺旋槳流固耦合計算方程計算出復合材料螺旋槳模型1在J⁰下的槳葉變形量1，將槳葉變形量1的負值映射到復合材料螺旋槳模型1槳葉上，得到新的復合材料螺旋槳模型2，再次計算復合材料螺旋槳模型2在J⁰下的槳葉變形量2，提取此時復合材料螺旋槳發生變形后的螺距值，比較此時的螺距值是否等于徑向螺距值p_i⁰，如果等于，則將復合材料螺旋槳模型2確定為復合材料螺旋槳的初始幾何，如果不等于，則再次將槳葉變形量2的負值映射到復合材料螺旋槳模型2上得到新的復合材料螺旋槳模型3，再次計算復合材料螺旋槳螺模型3在J⁰下的槳葉變形量3，提取此時復合材料螺旋槳發生變形后的螺距值，比較此時的螺距值是否等于徑向螺距值p_i⁰，如果等于，則將復合材料螺旋槳模型3確定為復合材料螺旋槳的初始幾何，如果不等于，則再次將槳葉變形量3的負值映射到復合材料螺旋槳模型3上得到新的復合材料螺旋槳模型4，重復新的復合材料螺旋槳模型3到新的復合材料螺旋槳模型4的過程直至在J⁰下復合材料螺旋槳模型n變形后螺距值與p_i⁰相同，此時將復合材料螺旋槳模型n確定為復合材料螺旋槳的初始幾何；

復合材料螺旋槳流固耦合計算方程為

其中，[M]為質量矩陣，[C]為阻尼矩陣，[K]為剛度矩陣，為加速度向量，為速度向量，{u}為位移向量，F_ce為離心力，F_co為科里奧利力，F_h為外力；

所述步驟九中根據步驟八計算復合材料螺旋槳在進速J¹時的幾何螺距角θ₁′；具體過程為：

根據步驟八中得到的復合材料螺旋槳初始幾何，求解復合材料螺旋槳流固耦合計算方程計算復合材料螺旋槳初始幾何在進速J¹發生變形后槳葉螺距角的改變值，將螺距角改變值映射到復合材料螺旋槳，提取0.75R處葉剖面的螺距值P₁'，計算出此時的螺距角θ₁′，其中θ₁′＝tan^-1(P₁'/πD)；

所述步驟十中判斷螺距角|θ₁′-θ₁|，若|θ₁′-θ₁|≥0.1°，則執行步驟七；若|θ₁′-θ₁|＜0.1°，則結束；具體過程為：

比較步驟六和步驟九中螺距角θ₁′和θ₁，若|θ₁′-θ₁|≥0.1°，則重復步驟七至步驟九的工作，改變復合材料鋪層角度和順序，重新計算復合材料螺旋槳的初始幾何；若|θ₁′-θ₁|＜0.1°，則結束。