一種復(fù)合材料螺旋槳空泡性能的計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及復(fù)合材料螺旋槳空泡性能的計算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 復(fù)合材料螺旋槳的研究工作從上世紀(jì)60年代開始，發(fā)展至今，相比于傳統(tǒng)金屬螺 旋槳其輕質(zhì)、高比剛度、高比強度、耐腐蝕等特性正逐漸應(yīng)用到高性能艦船領(lǐng)域，在不久的 將來將取代傳統(tǒng)的金屬螺旋槳。但是由于復(fù)合材料的變形特性，大大增加了研究工作的難 度，需要同時考慮流體與結(jié)構(gòu)的影響。隨著水下探測設(shè)備在精度和探測距離方向的不斷發(fā) 展，對艦船的隱身性能和航行環(huán)境提出了更加苛刻的要求，復(fù)合材料螺旋槳的研究工作正 面臨著前所未有的難度與高度。
[0003] 螺旋槳在水中旋轉(zhuǎn)時，葉面與葉背之間的壓力差提供艦船前進的動力，在航行過 程中，隨著槳葉面壓力的改變，不可避免的會產(chǎn)生空泡?？张莸漠a(chǎn)生會引起槳葉表面壓力脈 動，影響螺旋槳的水動力性能，降低推進效率。螺旋槳噪聲是艦船噪聲的主要來源，空泡是 形成螺旋槳噪聲的主要成因，嚴(yán)重影響艦船的隱蔽性。同時，空泡的長期作用還會剝蝕螺旋 槳表面材料，造成表面材料缺陷，影響螺旋槳的水動力性能，因此復(fù)合材料螺旋槳的空泡性 能研究具有十分重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明是要解決現(xiàn)有方法會因產(chǎn)生空泡影響螺旋槳的水動力性能，降低推進效 率，嚴(yán)重影響艦船的隱蔽性，剝蝕螺旋槳表面材料，造成表面材料缺陷并且影響螺旋槳的水 動力性能，而提出了一種復(fù)合材料螺旋槳空泡性能的計算方法。
[0005] -種復(fù)合材料螺旋槳空泡性能的計算方法，它按以下步驟實現(xiàn)：
[0006] 步驟一、使用三維建模軟件CAD建立復(fù)合材料螺旋槳的幾何模型，螺旋槳所在的坐 標(biāo)系為笛卡爾坐標(biāo)系，取X軸為螺旋槳的旋轉(zhuǎn)軸，正X方向為來流方向；
[0007] 步驟二、在網(wǎng)格劃分軟件中建立復(fù)合材料螺旋槳流體計算域并劃分網(wǎng)格；
[0008] 步驟三、流體基本設(shè)置:采用基于RANS方程的計算流體力學(xué)軟件建立復(fù)合材料螺 旋槳水動力性能求解方程，設(shè)置求解參數(shù)，邊界條件、啟動動網(wǎng)格、定義復(fù)合材料螺旋槳槳 葉部分為流固耦合面，設(shè)置計算時間步為to及步長η;
[0009] 步驟四、在Ansys Workbench復(fù)合材料分析軟件ACP中定義復(fù)合材料的彈性模量、 楊氏模量和泊松比，定義復(fù)合材料鋪層角度及順序?qū)?fù)合材料螺旋槳槳葉進行鋪層，鋪層 后生成含有復(fù)合材料屬性及鋪層特性的復(fù)合材料螺旋槳槳葉網(wǎng)格文件；
[0010] 步驟五、利用結(jié)構(gòu)計算軟件的前處理器劃分槳轂有限元網(wǎng)格；
[0011] 步驟六、合并復(fù)合材料螺旋槳槳葉網(wǎng)格與槳轂有限元網(wǎng)格，在結(jié)構(gòu)求解器中定義 復(fù)合材料螺旋槳槳葉與槳轂接觸部分為固定約束，將復(fù)合材料螺旋槳槳葉部分設(shè)置為流固 親合面，設(shè)置計算時間步to及結(jié)束時間t a，其中ta = t〇 · η;
[0012] 步驟七、定義流固耦合計算中流體計算的水動力載荷與復(fù)合材料螺旋槳槳葉變形 量傳遞耦合面，流體部分的耦合面設(shè)置為耦合面1，結(jié)構(gòu)部分的耦合面設(shè)置為耦合面2，耦合 順序從耦合面1到耦合面2，流固耦合計算時間步to及結(jié)束時間ta;
[0013] 步驟八、津立復(fù)合材料螺旋獎流固耦合方趕
[0014]
其中
[Κι]為線性剛度矩陣，[Κο]為初始位移矩陣，[Kg]為幾何矩陣，[Kr]為旋轉(zhuǎn)剛度矩陣，{u}為 位移向量，[N]為位移插值函數(shù)矩陣，η為外法向量，dA為流體和固體耦合面，Pv為葉片旋轉(zhuǎn) 產(chǎn)生的水動壓力，P r為葉片彈性變形產(chǎn)生的水動壓力，{FMt}為外力，{Fr}為離心載荷，求解 上述方程，獲得復(fù)合材料螺旋槳槳葉變形量和復(fù)合材料螺旋槳水動力；
[0015] 步驟九、使用通用語言編寫命令讀取復(fù)合材料螺旋槳槳葉變形量，將變形量映射 到步驟一中的幾何模型上，重構(gòu)復(fù)合材料螺旋槳的幾何模型，生成通用網(wǎng)格劃分軟件的輸 入文件格式；
[0016] 步驟十、重新劃分重構(gòu)的復(fù)合材料螺旋槳流體計算域，在重構(gòu)的復(fù)合材料螺旋槳 槳葉表面劃分邊界層，設(shè)置復(fù)合材料螺旋槳空泡性能求解參數(shù)，采用k- ω SST湍流模型求解 復(fù)合材料螺旋槳的空泡性能。
[0017] 發(fā)明效果：
[0018] 通過上述所述發(fā)明，提出了一種復(fù)合材料螺旋槳空泡性能的計算方法，解決了現(xiàn) 有復(fù)合材料螺旋槳研究工作不完善的問題。利用該方法，能夠有效的計算復(fù)合材料螺旋槳 形成空泡的航行條件，空泡的形態(tài)及位置。規(guī)避航行條件，避免復(fù)合材料螺旋槳在航行過程 中形成空泡，影響推進性能。對空泡形成位置進行材料加強，為提高復(fù)合材料螺旋槳抗空泡 腐蝕性能研究工作提供理論基礎(chǔ)。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明流程圖。
【具體實施方式】
[0020]【具體實施方式】一:本實施方式的一種復(fù)合材料螺旋槳空泡性能的計算方法，它按 以下步驟實現(xiàn)：
[0021 ]步驟一、使用三維建模軟件CAD建立復(fù)合材料螺旋槳的幾何模型，螺旋槳所在的坐 標(biāo)系為笛卡爾坐標(biāo)系，取X軸為螺旋槳的旋轉(zhuǎn)軸，正X方向為來流方向；
[0022] 步驟二、在網(wǎng)格劃分軟件中建立復(fù)合材料螺旋槳流體計算域并劃分網(wǎng)格；
[0023] 步驟三、流體基本設(shè)置:采用基于RANS方程的計算流體力學(xué)軟件建立復(fù)合材料螺 旋槳水動力性能求解方程，設(shè)置求解參數(shù)，邊界條件、啟動動網(wǎng)格、定義復(fù)合材料螺旋槳槳 葉部分為流固耦合面，設(shè)置計算時間步為to及步長η;
[0024]步驟四、在Ansys Workbench復(fù)合材料分析軟件ACP中定義復(fù)合材料的彈性模量、 楊氏模量和泊松比，定義復(fù)合材料鋪層角度及順序?qū)?fù)合材料螺旋槳槳葉進行鋪層，鋪層 后生成含有復(fù)合材料屬性及鋪層特性的復(fù)合材料螺旋槳槳葉網(wǎng)格文件；
[0025]步驟五、利用結(jié)構(gòu)計算軟件的前處理器劃分槳轂有限元網(wǎng)格；
[0026]步驟六、合并復(fù)合材料螺旋槳槳葉網(wǎng)格與槳轂有限元網(wǎng)格，在結(jié)構(gòu)求解器中定義 復(fù)合材料螺旋槳槳葉與槳轂接觸部分為固定約束，將復(fù)合材料螺旋槳槳葉部分設(shè)置為流固 親合面，設(shè)置計算時間步to及結(jié)束時間ta，其中ta = t〇 · η;
[0027] 步驟七、定義流固耦合計算中流體計算的水動力載荷與復(fù)合材料螺旋槳槳葉變形 量傳遞耦合面，流體部分的耦合面設(shè)置為耦合面1，結(jié)構(gòu)部分的耦合面設(shè)置為耦合面2，耦合 順序從耦合面1到耦合面2，流固耦合計算時間步to及結(jié)束時間t a;
[0028] 步驟八、建立復(fù)合材料螺旋槳流固耦合方程
[0029]
1 其中
[Κι]為線性剛度矩陣，[Κο]為初始位移矩陣，[Kg]為幾何矩陣，[Kr]為旋轉(zhuǎn)剛度矩陣，{u}為 位移向量，[N]為位移插值函數(shù)矩陣，η為外法向量，dA為流體和固體耦合面，Pv為葉片旋轉(zhuǎn) 產(chǎn)生的水動壓力，P r為葉片彈性變形產(chǎn)生的水動壓力，{FMt}為外力，{Fr}為離心載荷，求解 上述方程，獲得復(fù)合材料螺旋槳槳葉變形量和復(fù)合材料螺旋槳水動力；
[0030] 步驟九、為了后續(xù)復(fù)合材料螺旋槳的空泡性能計算，需要得到變形后的復(fù)合材料 螺旋槳幾何模型，軟件中不能直接導(dǎo)出變形后的復(fù)合材料螺旋槳幾何模型，因此這里需要 使用通用語言編寫命令讀取復(fù)合材料螺旋槳槳葉變形量，將變形量映射到步驟一中的幾何 模型上，重構(gòu)復(fù)合材料螺旋槳的幾何模型，生成通用網(wǎng)格劃分軟件的輸入文件格式；
[0031] 步驟十、重新劃分重構(gòu)的復(fù)合材料螺旋槳流體計算域，在重構(gòu)的復(fù)合材料螺旋槳 槳葉表面劃分邊界層，設(shè)置復(fù)合材料螺旋槳空泡性能求解參數(shù)，采用k- ω SST湍流模型求解 復(fù)合材料螺旋槳的空泡性能。復(fù)合材料螺旋槳的空泡性能指復(fù)合材料螺旋槳產(chǎn)生空泡的航 行條件，空泡的形態(tài)及發(fā)生空泡的位置。
[0032]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:所述步驟二中復(fù)合材 料螺旋槳流體計算域分為外域和內(nèi)域，內(nèi)域包含復(fù)合材料螺旋槳為旋轉(zhuǎn)區(qū)域，采用非結(jié)構(gòu) 網(wǎng)格劃分;外域為靜止區(qū)