一种复合材料螺旋桨叶叶根优化设计方法

摘要

一种复合材料螺旋桨叶叶根优化设计方法，它涉及一种叶根优化设计方法，具体涉及一种复合材料螺旋桨叶叶根优化设计方法。本发明为了解决传统设计方法设计的叶根连接形式，应用在舰艇螺旋桨中时，相邻桨叶间型面往往存在交叠现象，且桨毂直径相对较小，导致桨叶和桨毂不能满足使用要求的问题。本发明通过三维实体构型软件绘制复合材料螺旋桨的几何模型，利用RANS方程计算出复合材料螺旋桨的水动力性能，进而构建含楔形叶根的复合材料螺旋桨叶的几何模型，通过有限元分析软件计算出桨叶及叶根的应力分布，最终完成叶根的优化设计。本发明用于舰艇等运输工具。

主权项

1.一种复合材料螺旋桨叶叶根优化设计方法，其特征在于：所述一种复合材料螺旋桨叶叶根设计方法的具体步骤如下：步骤一、将桨毂的顶面直径和底面直径以m倍同时进行增大；步骤二、将复合材料桨叶均匀排布于增大后的桨毂上，并使用三维实体构型软件绘制复合材料螺旋桨的几何模型；步骤三、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；步骤四、在已经构建的水动力计算模型基础上，利用基于RANS方程的计算流体动力学方法计算复合材料螺旋桨的水动力性能，其中RANS方程为：$\frac{\partial }{\partial t}\left({\mathrm{\rho u}}_i\right)+\frac{\partial }{{\partial x}_j}\left({\mathrm{\rho u}}_i{u}_j\right)=-\frac{\partial p}{{\partial x}_i}+\frac{\partial }{{\partial x}_j}(\mu \frac{{\partial u}_i}{{\partial x}_j}-\rho \overline{u_i^{\prime }{u}_j^{\prime }})+S_i---\left(1\right),$公式(1)中u为笛卡尔坐标系统下的速度矢量，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，复合材料螺旋桨的水动力性能包括推力系数、扭矩系数及效率：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；步骤五、在增大直径的桨毂上进行复合材料桨叶的楔形叶根的初步设计，确定复合材料桨叶楔形叶根截面的长度a、宽度b、楔形叶根的楔形截面倒锥角度ω、楔形叶根与桨毂连接处的导圆角Φ以及叶根与复合材料桨叶连接的外导角θ的初始值；步骤六、根据复合材料螺旋桨的几何型值及步骤五中楔形叶根的初步设计值，利用三维实体构型软件构建含楔形叶根的复合材料桨叶的几何模型；步骤七、将步骤六中含楔形叶根的复合材料桨叶的几何模型导入有限元软件ANSYS中，选取单元类型SOLID46对其进行网格划分，定义弹性常数、泊松比，其中弹性常数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，铺层顺序为构建含楔形桨根的复合材料桨叶的有限元模型；步骤八、基于步骤其中的复合材料桨叶的有限元模型，将楔形叶根的楔形截面的长度a、宽度b和楔形叶根的楔形截面倒锥角度ω定义为设计变量，根据选定的桨毂直径确定设计变量的范围值，将楔形叶根与桨叶根部连接处的应力作为目标函数，将步骤四中获取的桨叶压力作为载荷条件，利用有限元软件ANSYS进行叶根的目标优化设计，即计算不同设计变量下复合材料桨叶及叶根的应力分布情况，应力计算由有限元分析软件完成；步骤九、通过与材料体系的极限强度进行比较，检验设计的楔形叶根是否满足连接强度要求，利用有限元软件获取桨叶与桨毂各个节点的应力值，然后将这些应力值与所选材料体系的极限连接强度值进行比较，如小于极限连接强度值，则满足要求，如大于等于极限连接强度，则不满足，返回至步骤一重新调整桨毂直径及楔形叶根各几何要素，直至设计的楔形叶根的几何形状满足连接强度要求，即完成复合材料螺旋桨叶根的优化设计。