一种大尺寸可拆卸式复合材料螺旋桨设计方法

摘要

一种大尺寸可拆卸式复合材料螺旋桨设计方法，它涉及一种复合材料螺旋桨设计方法，具体涉及一种大尺寸可拆卸式复合材料螺旋桨设计方法。本发明为了解决现有大尺寸复合材料螺旋桨的金属桨毂的重量较大，增加了整个螺旋桨的重量，提高了船体振动的问题。本发明的具体步骤为：步骤一、设计复合材料桨叶；步骤二、设计复合材料螺旋桨桨毂；步骤三、将设计好的复合材料桨叶和复合材料桨毂组装成复合材料螺旋桨。本发明用于舰艇等运输工具。

主权项

一种大尺寸可拆卸式复合材料螺旋桨设计方法，其特征在于：所述一种大尺寸可拆卸式复合螺旋桨设计方法的具体步骤如下：步骤一、设计复合材料桨叶，具体设计步骤为：步骤一(一)、在复合材料桨叶的楔形叶根两侧分别各设置一个凸台；步骤一(二)、初始选定复合材料桨叶的楔形叶根的宽度a₀、厚度b₀，楔形叶根与桨毂连接处的导圆角Φ₀、楔形叶根的楔形截面倒锥角度ω₀、凸台宽度a′₀和凸台厚度b′₀，结合以上参数选定复合材料桨叶的楔形叶根的初始设计方案；步骤一(三)、根据复合材料桨叶的几何型值，结合复合材料桨叶的楔形叶根的初始设计方案，使用三维实体构型软件构建复合材料桨叶及复合材料螺旋桨的几何模型；步骤一(四)、将复合材料螺旋桨的几何模型导入计算流体力学分析软件的前处理器GAMBIT，建立流体域，划分流体网格，构建水动力模型；步骤一(五)、利用基于RANS方程的计算流体动力学方法计算复合螺旋桨的水动力性能，计算的水动力性能包括推力系数K_T、扭矩系数K_Q和效率η三个参数：$\frac{\partial }{\partial t}\left({\mathrm{\rho u}}_i\right)+\frac{\partial }{\partial x_j}\left({\mathrm{\rho u}}_i{u}_j\right)=-\frac{\partial p}{\partial x_i}+\frac{\partial }{\partial x_j}(\mu \frac{\partial u_i}{\partial x_j}-\rho \overline{u_i^{\prime }{u}_j^{\prime }})+S_i---\left(1\right),$公式(1)中x为坐标轴，i,j＝1,2,3，x_i、x_j分别表示x,y,z三个坐标空间，u为笛卡尔坐标系统下的速度矢量，u_i、u_j表示的是x,y,z方向的速度分量，t表示时间，ρ为流体密度，p是静态压力，μ是流体的动力粘性系数，是Reynolds应力项，S_i表示源项，其中推力系数K_T＝T/ρn²D⁴，扭矩系数K_Q＝Q/ρn²D⁵，效率η＝JK_T/2πK_Q，其中ρ表示流体密度，n表示螺旋桨转速，D表示桨毂调整后的复合材料螺旋桨直径，J表示进速系数J＝0.2，T表示螺旋桨产生的推力，Q表示螺旋桨所受到的扭矩，获取并导出低进速时作用在复合材料桨叶上的压力；步骤一(六)、将含楔形叶根的复合材料桨叶的几何模型导入有限元软件中，选取单元类型SOLID46对其进行网格划分，选取一种纤维增强复合材料作为复合材料桨叶的材料体系，定义材料参数性能为：弹性常数EX＝1.1e11Pa，EY＝EZ＝8.97e9Pa，泊松比为0.34，剪切模量为3.9e9Pa，选定铺层顺序为复合材料桨叶的铺层方式，铺层顺序为其中：2表示铺设两层，s表示对称铺设，构建含楔形桨根的复合材料桨叶的有限元模型；步骤一(七)、将复合材料桨叶的叶根楔形截面的宽度a_i、叶根厚度b_i、导圆角Φ_i、倒锥角度ω_i、凸台宽度a′_i和凸台厚度b′_i定义为设计变量，将楔形叶根的根部应力作为目标函数，将步骤一(五)中获取的复合材料桨叶的压力作为载荷条件，利用有限元软件ANSYS进行叶根目标优化设计，计算不同设计变量下复合材料桨叶的楔形叶根的应力分布情况，应力计算由有限元软件完成；步骤一(八)、通过将步骤一(七)计算的楔形叶根的根部应力与步骤一(六)中纤维增强复合材料体系的极限强度进行比较，检验设计的复合材料叶根是否满足连接要求，如果不满足，返回步骤一(二)重新调整复合材料桨叶的楔形叶根各几何要素，直至设计的楔形叶根几何形状满足连接强度要求，即完成复合材料桨叶的设计；步骤二、设计复合材料螺旋桨桨毂，具体涉及过程如下：步骤二(一)、根据复合材料螺旋桨桨毂的几何型值，结合初始选定的复合材料桨叶的楔形叶根设计方案，使用三维实体构型软件构建带楔形凹槽的复合材料桨毂的几何模型；步骤二(二)、桨毂金属内衬选用材料为镍铝青铜，初步设定该内衬厚度尺寸为10mm，定义桨毂的外部使用的复合材料体系与复合材料桨叶的纤维增强复合材料体系相同，构建复合材料桨毂的有限元模型；步骤二(三)、计算4倍离心力载荷作用下该复合材料桨毂的应力分布情况，分析复合材料是否满足使用材料的强度要求及界面结合强度的要求，利用有限元软件获取桨毂处的各个节点的应力值，然后将这些应力值与所选材料体系的极限强度值进行比较，如果小于极限强度值，则满足要求；步骤二(四)、校核包覆金属内衬的复合材料桨毂是否满足使用材料的强度及界面结合要求，如果包覆金属内衬的复合材料桨毂满足使用材料的强度及界面结合要求，则确定初步选定的内衬厚度尺寸为最终的桨毂金属内壁尺寸，如果不符合要求，则加厚金属内衬尺寸1mm‑3mm，再次进行校核，直至满足要求为止；步骤三、将设计好的复合材料桨叶和复合材料桨毂组装成复合材料螺旋桨。