一种金属内衬结构复合材料螺旋桨的预变形设计方法与流程

1.本发明涉及一种船舶动力推进领域的复合材料螺旋桨桨叶的设计方法。


背景技术：

2.当前复合材料螺旋桨设计与计算中常采用全复材实心结构，对于实尺度船用螺旋桨，由于工艺成型难度较大导致制备成型所得的实心结构桨叶与所期外形存在一定差异，也因此对螺旋桨水动力性能产生较大影响。若设计合理，复合材料螺旋桨不仅可以保持与金属桨相同的水动力性能，相较金属桨重量的减轻也会带来振动噪声等方面的改善。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了解决目前复合材料螺旋桨桨叶设计可实现性、外形精度较差的问题，提供了一种考虑预变形的金属内衬结构复合材料螺旋桨的设计方法。
4.为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种金属内衬结构复合材料螺旋桨的预变形设计方法，以金属桨叶几何模型作为设计输入，采用以下步骤实现：
5.步骤一：在三维建模软件中提取桨叶几何的压力面、吸力面的片体模型，并导入ansys workbench平台acp模块；
6.步骤二：在acp(pre)的子模块中，完成金属与复合材料属性的定义、桨叶压力面与吸力面有限元网格划分、桨叶复合材料铺层的定义，定义复合材料铺层时，通过创建不同的stackups和sub laminates建立桨叶的复合材料层合板与金属内衬的有限元模型，并将acp模块中定义的网格、几何、材料属性以及复合材料定义传递到mechanical模块；
7.步骤三：根据桨叶几何模型构建水动力计算模型，利用流体动力分析模块求解得到桨叶性能与压力分布，并将计算结果传递到mechanical模块；
8.步骤四：在mechanical模块中对桨叶有限元模型添加约束，加载桨叶表面压力分布，得到桨叶各向变形，输出桨叶各特征节点笛卡尔坐标(x0,y0,z0)以及变形结果(u
x
,uy,uz)，得到变形后各节点的笛卡尔坐标(x0 u
x
，y0 uy，z0 uz)；
9.步骤五：在acp(post)中，选择失效准则，对桨叶各铺层单元进行失效评价，判断是否满足强度要求，如不满足，则返回acp(pre)模块中对复合材料铺层进行调整，包括铺层厚度，铺层角度等，直到满足强度要求；
10.步骤六：根据步骤四所得的数据，重新构建桨叶各半径剖面型线，得到变形后的复合材料桨叶几何模型；
11.步骤七：根据变形后的桨叶几何模型构建水动力计算模型，利用流体动力分析模块求解得到桨叶性能与压力分布，并进行水动力性能计算结果进行收敛判别，收敛，则输出此时的桨叶几何模型，各节点坐标(x1,y1,z1)；未收敛，则重复步骤三到七，直到水动力性能计算结果收敛；
12.步骤八：基于步骤七所得的桨叶几何与步骤一中初始金属桨几何，利用各对应节点笛卡尔坐标，进行预变形处理，即取节点坐标(2x
0-x1，2y
0-y1，2z
0-z1)构建预变形桨叶几
何模型，此为预变形桨叶自然状态几何；
13.步骤九：基于步骤八所得的预变形桨叶几何，重复步骤一到步骤七，得到水动力性能计算结果收敛后的预变形复合材料螺旋桨工作状态几何；
14.步骤十：对步骤九所得的复合材料螺旋桨工作状态的水动力效率进行考核，满足水动力性能要求，则输出复合材料螺旋桨铺层方案与其自然状态几何型值；不满足水动力性能要求，则在步骤五中对铺层厚度、铺层角度等进行调整，直到满足规定水动力性能要求。
15.步骤二中：铺层材料加载上游的材料属性信息；fabrics定义单层板的材料与厚度，厚度取0.3mm，定义铝合金金属内衬，厚度取5mm；stackups定义多层板的信息，包括单层板的叠放次序与对称规则，每个单层板的角度；sub laminates定义子层合板信息，包括单层板、多层板的叠放次序与对称规则；多层板铺层角度设置为[30
°
/30
°
/0
°
/0
°
/-30
°
]s，对桨叶各个区域采用不同的子层合板进行铺敷，根据原金属桨叶厚度变化，将桨叶划分为4个区域，分别是叶根段120层、中间两段：120层-80层渐变和80层-60层渐变、叶梢段60层，每个区域下均为5mm的铝合金内衬层。
[0016]
步骤二中：采用element sets定义桨叶各区域；edge sets定义桨叶各区域交界线；rosettes定义铺敷坐标系的形式；oriented selection sets针对所选区域定义铺敷参考点与层合板铺敷方向，并选择铺敷坐标系。
[0017]
步骤二中：采用modeling groups对选定的oriented selection sets添加子层材料、角度、层数。
[0018]
步骤五中：选择蔡吴失效准则，对复合材料桨叶各铺层单元进行失效评价，判断是否满足强度要求，当铝合金内衬厚度为5毫米时，利用蔡吴失效准则判别后逆储备因子存在大于1的区域，即部分桨叶单元发生了破坏，因此需返回步骤二中在acp的pre模块中对铺层结构进行调整，铝合金内衬厚度增加为8mm,步骤四中对桨叶有限元模型信息进行更新后，步骤五的所得桨叶单元逆储备因子最大值小于1，即满足蔡吴失效准则的强度要求。
[0019]
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
[0020]
1、本发明采用的预变形设计方法可以在ansys workbench平台进行整个桨叶复合材料层合板与金属内衬的有限元建模，方法简单，耗时短且计算量小。
[0021]
2、本发明中涉及桨叶的水动力计算与复合材料强度计算，由fluent、acp以及static structural等组件实现，基于ansys workbench平台数据传递操作简单，交互便捷，可以完成复合材料螺旋桨性能的综合分析。
附图说明
[0022]
图1是本发明的桨叶自然状态几何示意图；
[0023]
图2是本发明的铺层设计示意图；
[0024]
图3是本发明的设计流程图。
具体实施方式
[0025]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0026]
如图3所示，一种金属内衬结构复合材料螺旋桨的预变形设计方法，其实施步骤如
下：
[0027]
步骤一：在三维建模软件中提取螺旋桨桨叶几何模型的压力面、吸力面的片体模型，并导入ansys workbench平台geometry模块，并吸力面压力面片体组成一个部件，并传输到acp模块的geometry子模块。
[0028]
步骤二：在acp(pre)的子模块engineering data添加t300碳纤维预浸料单向复合材料力学性能和铝合金材料属性,在子模块model中对桨叶进行有限元网格划分。在setup中完成桨叶复合材料铺层材料、区域、铺敷方向等的定义。
[0029]
铺层材料materials加载上游的材料属性信息；fabrics定义单层板的材料与厚度，厚度取0.3mm，定义铝合金金属内衬，厚度取5mm；stackups定义多层板的信息，包括单层板的叠放次序与对称规则，每个单层板的角度等；sub laminates定义子层合板信息，包括单层板、多层板的叠放次序与对称规则。多层板铺层角度设置为[30
°
/30
°
/0
°
/0
°
/-30
°
]s。对桨叶各个区域可以采用不同的子层合板进行铺敷，根据原金属桨叶厚度变化，将桨叶划分为4个区域，分别是叶根段120层、中间段(两段：120层-80层渐变和80层-60层渐变)、叶梢段60层，每个区域下均为5mm的铝合金内衬层。
[0030]
element sets定义桨叶各区域；edge sets定义桨叶各区域交界线；rosettes定义铺敷坐标系的形式(平行、放射、圆柱、球等)；oriented selection sets针对所选区域定义铺敷参考点与层合板铺敷方向，并选择铺敷坐标系。
[0031]
modeling groups对选定的oriented selection sets添加子层材料(可以选择单层板、多层板、以及子层合板)、角度、层数。这里可以定义交界线处的厚度渐变规则。
[0032]
通过上述步骤建立桨叶的复合材料层合板与金属内衬的有限元模型，并将acp模块中定义的网格、几何、材料属性以及复合材料定义传递到mechanical模块。
[0033]
步骤三：根据桨叶几何模型构建水动力计算模型，利用流体动力分析模块求解得到桨叶性能与表面压力分布，并将计算结果传递到mechanical模块。
[0034]
步骤四：在mechanical模块中对桨叶有限元模型添加约束，加载桨叶表面压力分布，得到桨叶各向变形，输出桨叶0.3r-0.95r各剖面节点以及导边、随边、叶梢各节点笛卡尔坐标(x0,y0,z0)与变形结果(u
x
,uy,uz)，得到变形后各节点的笛卡尔坐标(x0 u
x
，y0 uy，z0 uz)。
[0035]
步骤五：在acp(post)中，选择蔡吴失效准则，对复合材料桨叶各铺层单元进行失效评价，判断是否满足强度要求，当铝合金内衬厚度为5毫米时，利用蔡吴失效准则判别后逆储备因子(irf)存在大于1的区域，即部分桨叶单元发生了破坏，因此需返回步骤二中在acp(pre)模块中对铺层结构进行调整，铝合金内衬厚度增加为8mm,步骤四中对桨叶有限元模型信息进行更新后，步骤五的所得桨叶单元逆储备因子最大值小于1，即满足蔡吴失效准则的强度要求。
[0036]
复合材料桨叶结构与铺层设计见附图1和附图2。复合材料层合板铺层角度为[30
°
/30
°
/0
°
/0
°
/-30
°
]s，铺敷区域分为4个区域，ⅰ区铺敷120层,即[[30
°
/30
°
/0
°
/0
°
/-30
°
]s]12，ⅱ区铺敷120-80层递减，ⅲ区铺敷80-60层递减，ⅳ区铺60层。层合板下衬8mm铝合金。
[0037]
步骤六：根据步骤四所得满足强度要求的桨叶数据，重新构建桨叶0.3r-0.95r各剖面型线以及导边、随边，得到加载水动力发生变形后的复合材料桨叶几何模型。
[0038]
步骤七：根据变形后的桨叶几何模型构建水动力计算模型，利用流体动力分析模块求解得到桨叶性能与压力分布，并进行水动力性能计算结果进行收敛判别，判别标准为效率相差小于百分之0.2为收敛，则输出此时的桨叶几何模型与各节点坐标(x1,y1,z1)；未收敛，则重复步骤三到七，直到水动力性能计算结果收敛。
[0039]
步骤八：针对步骤七所得水动力性能计算结果收敛的桨叶几何，利用与步骤一中初始金属桨几何各对应节点的笛卡尔坐标，进行预变形处理，即取节点坐标(2x
0-x1，2y
0-y1，2z
0-z1)构建预变形桨叶各剖面半径型线与导边、随边、建立预变形桨叶几何模型。
[0040]
步骤九：重复步骤一到步骤六，得到水动力性能计算结果收敛后的复合材料螺旋桨几何，此为预变形复合材料螺旋桨工作状态的几何。将工作状态桨叶几何的水动力性能与初始金属桨水动力性能进行对比，满足水动力性能要求，则得到满足强度要求与水动力要求的复合材料螺旋桨，不满足则需在步骤五中对铺层方案，特别是铺层角度进行调整。