一种船用复合材料螺旋桨预变形优化方法与流程

本发明涉及一种船用复合材料螺旋桨预变形优化方法，属于叶轮机械仿真技术领域。

背景技术：

应用复合材料代替传统金属材料制造螺旋桨可显著改善其水动力性能及振动特性。通过对复合材料纤维铺层的设计和桨叶结构的改进，复合材料螺旋桨可根据其承受的水动力载荷自适应地调整侧斜、纵倾和螺距分布以提高水动力性能。目前船用纤维复合材料螺旋桨大都采用金属螺旋桨的型值，没有考虑螺旋桨叶片流固耦合效应的影响，而复合材料螺旋桨叶片工作时会产生变形而导致推进效率降低，不能满足全工况船舶推进需求。为了提高螺旋桨推进效率，大量学者对复合材料螺旋桨双向流固耦合效应进行研究并提出复合材料螺旋桨预变形设计方法，其方法(cn101706832a)主要是将复合材料螺旋桨有限元模型各节点处的变形值进行反向叠加以得到预变形复合材料螺旋桨桨叶几何。但现有的预变形设计方法计算量太大，过于依赖有限元软件而不具通用性，没有细致考虑桨叶经流固耦合作用后侧斜、纵倾和螺距的变化。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有复合材料螺旋桨设计过程中未考虑桨叶经流固耦合作用后发生变形使侧斜、纵倾和螺距改变，导致复合材料螺旋桨推进效率下降的问题，提供一种船用复合材料螺旋桨预变形优化方法；该方法使得经过预变形设计的复合材料螺旋桨的推进效率在设计工况下与刚性桨等同，而在非设计工况下优于刚性桨，进而拓宽复合材料螺旋桨工作的高效区。

本发明为达到上述技术目标所采取的技术方案是：

一种船用复合材料螺旋桨预变形优化方法，采用以下步骤实现：

步骤一：通过金属螺旋桨叶切面局部坐标系到全局坐标系的变换公式，即公式(1)，将金属螺旋桨各叶切面型值转换为三维笛卡尔坐标点。

其中，x,y,z为螺旋桨三维笛卡尔坐标值；li为导边参数；ri为各叶切面对应的半径值；(x，y)为叶切面型值点；为螺距角；β为纵倾角。

步骤二：将步骤一中求出的金属螺旋桨三维笛卡尔坐标点导入建模软件中构建金属螺旋桨几何模型，并将螺旋桨桨叶的压力面、吸力面及中面三个平面实体模型分别保存。

步骤三：使用workbench平台中的acp模块，以金属螺旋桨桨叶中面为对称面进行纤维复合材料铺层，导入步骤二中的保存好的桨叶压力面及吸力面模型，用于约束复合材料铺层外形，实现复合材料螺旋桨有限元模型的建立。

所述纤维复合材料铺层方法为单向铺层或编织铺层；

步骤四：将步骤三中建立完成的复合材料螺旋桨有限元模型导入结构有限元分析模块以计算桨叶结构响应，添加螺旋桨转速和固定约束作为边界条件，并将复合材料螺旋桨桨叶设置为流固耦合交界面。

所述复合材料螺旋桨的结构控制方程为其中，[ms]为结构质量矩阵，[cs]为结构阻尼矩阵，[ks]为结构刚度矩阵；{x}即结构位移、即结构速度、即结构加速度；{fcfd}代表流固耦合作用下结构所受流场力。

步骤五：采用复合材料螺旋桨流体动力分析模块，对复合材料螺旋桨流场进行雷诺时均n-s方程(rans)求解，得到复合材料螺旋桨流场水动力载荷。

所述复合材料螺旋桨流体动力分析是将计算流体力学(cfd)与金属螺旋桨的实际运行工况相结合来进行计算；

所述rans方程采用标准k-ωsst湍流模型来封闭；

所述实际运行工况包括航速、转速以及相应水动力性能参数；

所述水动力性能参数包括：推力系数扭矩系数及推进效率其中q表示所有桨叶上的扭矩之和，即总扭矩；ρ表示水的密度为997kg/m³；n为螺旋桨转速；d为螺旋桨直径；t表示所有桨叶上的推力之和，即总推力；j表示进速系数。

步骤六：通过workbench平台中的systemcoupling模块，将步骤四求解得到的桨叶结构响应与步骤五求解得到的复合材料螺旋桨流场水动力载荷，采用分步算法进行双向流固耦合计算。

步骤七：根据步骤六中双向流固耦合计算所得结果，判断复合材料螺旋桨的水动力性能参数是否在设计工况下等同于金属螺旋桨，而在非设计工况下优于金属螺旋桨；并判断材料是否失效。若同时满足以上条件，则完成了复合材料螺旋桨的初步设计。

步骤八：若不满足步骤七中任一判断标准，则需要对该复合材料螺旋桨进行预变形设计。具体实施方案如下：首先在螺旋桨0.2r-0.95r各叶切面型值表中同一弦长处(0.1c-0.9c)确定两个特征点(x，yo)和(x，yu)，且所述两特征点分别位于吸力面及压力面上，即所述两特征点的x值相同，y值分别为yo、yu。根据步骤一中的公式(1)，得到所述两特征点的三维笛卡尔坐标为(xo，yo，zo)、(xu，yu，zu)。

步骤九：根据步骤六中所求的双向流固耦合计算结果，在结构有限元分析模块中分别提取出步骤八中所述两特征点沿x、y、z轴三个方向上的变形值，特征点(x，yo)的变形值为ux1，uy1，uz1；特征点(x，yu)的变形值为ux2，uy2，uz2；然后对步骤八中复合材料螺旋桨上的两特征点进行预变形，即将提取出的变形值反向叠加到所述两特征点的坐标中，得到该两特征点预变形坐标(xo-ux1，yo-uy1，zo-uz1)、(xu-ux2，yu-uy2，zu-uz2)。记经过预变形之后的两特征点坐标为(xp1，yp1，zp1)、(xp2，yp2，zp2)；且坐标(xp1，yp1，zp1)和(xp2，yp2，zp2)满足

步骤十：将步骤九中两特征点的纵坐标相减得即可求出两特征点所在叶切面处预变形复合材料螺旋桨的螺距角重复步骤九、步骤十即可分别得到0.2r-0.95r各叶切面预变形复合材料螺旋桨的螺距角

步骤十一：将步骤十得到的预变形复合材料螺旋桨0.2r-0.95r各叶切面的螺距角代入公式(1)中的中，可求出0.2r-0.95r各叶切面预变形复合材料螺旋桨的纵斜角βp和导边参数lpi。将得到的预变形复合材料螺旋桨的螺距角纵斜角βp和导边参数lpi分别代入步骤一中公式(1)，从而确定预变形复合材料螺旋桨叶片整体的三维笛卡尔坐标。

步骤十二：基于步骤十一得到的预变形复合材料螺旋桨叶片整体的三维笛卡尔坐标，重复步骤二到步骤六，对新得到的复合材料船用螺旋桨叶片几何模型进行预变形，直至满足步骤七所述的复合材料船用螺旋桨水动力性能要求和结构强度要求，得到可实现全工况下复合材料船用螺旋桨高效航行的最佳几何外形，完成最终的预变形优化。

有益效果：

1.本发明的一种船用复合材料螺旋桨预变形优化方法，综合考虑了流固耦合作用下复合材料螺旋桨叶片变形引起的螺旋桨螺距角、侧斜及纵斜等几何参数的变化，提高了预变形优化的精确性。

2.本发明的一种船用复合材料螺旋桨预变形优化方法，利用了螺旋桨坐标转换公式(公式1)，是一种通用性较强、普适性较高的复合材料螺旋桨预变形优化方法，可适用于如泵，水轮机等大多数复合材料叶轮机械。

3.本发明的一种船用复合材料螺旋桨预变形优化方法，相比现有预变形优化方法，具有计算量小，计算简便，可实现参数化、程序化设计的优点，节省了大量计算资源及时间。

附图说明

图1为复合材料螺旋桨流体动力分析计算流域示意图；

图2为复合材料螺旋桨双向流固耦合计算流程图；

图3为螺旋桨各叶切面处吸力面及压力面上确定的两特征点示意图；

图4为本发明所述复合材料螺旋桨预变形优化技术流程图；

图5为金属螺旋桨、复合材料螺旋桨及预变形复合材料螺旋桨的推进效率对比。

具体实施方式

结合附图，以seiun-maru大侧斜船用螺旋桨(hsp)为实施例，对本发明作进一步说明。

实施例1

本实施方式的纤维复合材料船用螺旋桨预变形优化方法是由以下步骤实现的:

步骤一：基于坐标变换原理推导出hsp型金属螺旋桨叶切面局部坐标系到全局坐标系的变换公式，如公式(1)。通过matlab编程将hsp型螺旋桨0.2r-0.95r(r为螺旋桨半径)处各叶切面型值转换得到三维笛卡尔坐标点。

其中，x,y,z为hsp型螺旋桨三维笛卡尔坐标值，li为导边参数；ri为各叶切面对应的半径值；(x，y)为叶切面型值点；为螺距角；β为纵倾角。

步骤二：将步骤一中求出的hsp型金属螺旋桨三维坐标点导入三维建模软件solidworks中构建hsp型金属螺旋桨几何模型，并将螺旋桨压力面、吸力面及中面三个平面实体模型分别保存。

步骤三：使用workbench平台中的acp模块以hsp型金属螺旋桨桨叶中面为对称面进行纤维复合材料单向45度铺层(共铺设25层)，导入步骤二中的保存好的桨叶压力面及吸力面来约束复合材料铺层的外形。最终实现hsp型复合材料螺旋桨有限元模型的建立。

步骤四：将步骤三中建立完成的hsp型复合材料螺旋桨有限元模型导入结构有限元分析模块(workbenchstaticstructure)中以计算桨叶结构响应，添加螺旋桨转速(90.7rpm)、固定约束(桨叶根部)作为边界条件，并将复合材料螺旋桨桨叶设置为流固耦合交界面。其中桨叶结构控制方程为其中，[ms]为结构质量矩阵，[cs]为结构阻尼矩阵，[ks]为结构刚度矩阵；{x}即结构位移、即结构速度、即结构加速度；{fcfd}代表通过cfd软件求解的流固耦合作用下桨叶结构所受流场力。

步骤五：采用复合材料螺旋桨流体动力分析模块，即计算流体力学(cfd)软件cfx，对复合材料螺旋桨流场进行雷诺时均n-s方程(rans)求解，得到复合材料螺旋桨流场水动力载荷。

所述复合材料螺旋桨的流体动力分析是基于计算流体力学(cfd)并结合hsp型螺旋桨的实际运行工况：即航速9knots、转速90.7rpm、推力系数kt＝0.1012、扭矩系数kq＝0.01863、推进效率η＝0.736。对hsp型复合材料螺旋桨流场进行雷诺时均n-s方程(rans)求解，求解域如图1所示。方程采用标准k-ωsst湍流模型来封闭，计算得到hsp型复合材料螺旋桨流场水动力载荷。

步骤六：通过商业软件systemcoupling，将步骤四得到的hsp型复合材料螺旋桨桨叶结构响应与步骤五得到的复合材料螺旋桨水动力载荷，采用分步算法进行双向流固耦合计算，计算流程如图2。

步骤七：根据步骤六中双向流固耦合计算所得结果，判断发现所求得的hsp型复合材料螺旋桨在设计工况下(j＝0.851)推进效率η＝0.7183低于hsp型金属螺旋桨η＝0.736；纤维增强复合材料未失效。

步骤八：因所述hsp型复合材料螺旋桨不满足水动力性能判断标准，需要对该复合材料螺旋桨进行预变形设计。具体实施方案如下：如图3所示，首先在螺旋桨0.2r-0.95r各叶切面型值表中同一弦长处(0.6c)确定两个特征点(x，yo)和(x，yu)，且所述两特征点分别位于吸力面及压力面上。以0.9r叶切面为例，所选两特征点的三维笛卡尔坐标为(613.58，71.716，1499.306)、(608.4078，91.95995，1501.413)。

步骤九：根据步骤六中的双向流固耦合计算结果，在结构有限元分析模块中分别提取出步骤八中所述两特征点沿x、y、z轴三个方向上的变形值，特征点(x，yo)的变形值为ux1，uy1，uz1；特征点(x，yu)的变形值为ux2，uy2，uz2；然后对步骤八中复合材料螺旋桨上的两特征点进行预变形，也即将提取出的变形值反向叠加到该两特征点的坐标中，得到该两特征点预变形坐标(xo-ux1，yo-uy1，zo-uz1)、(xu-ux2，yu-uy2，zu-uz2)。经过预变形之后的两特征点坐标为(613.2863，72.03，1499.12)、(608.1047，92.273，1501.32)。

步骤十：将步骤九中两特征点纵坐标相减即可求出该叶切面处预变形复合材料螺旋桨的螺距角重复步骤九、十即可得到0.2r-0.95r各叶切面预变形复合材料螺旋桨的螺距角

步骤十一：将步骤十得到的预变形复合材料螺旋桨0.2r-0.95r各叶切面的螺距角代入步骤一中公式(1)中的可求出0.2r-0.95r各叶切面预变形复合材料螺旋桨的纵斜角βp和导边参数lpi。将得到的预变形复合材料螺旋桨的螺距角纵斜角βp和导边参数lpi代入步骤一中公式(1)，从而确定预变形复合材料螺旋桨叶片整体的三维笛卡尔坐标。

步骤十二：基于步骤十一得到的预变形复合材料螺旋桨的三维笛卡尔坐标，重复步骤二到步骤六，如图4所示。对新得到的hsp型复合材料船用螺旋桨叶片几何外形进行预变形，直至满足发明内容中步骤七所述复合材料船用螺旋桨的水动力性能要求和结构强度要求，得到可实现全工况下hsp型复合材料船用螺旋桨高效航行的最佳的几何外形，完成最终的预变形优化。

该实例应用本发明所述的一种纤维增强复合材料船用螺旋桨预变形优化方法，对hsp型船用复合材料螺旋桨进行预变形处理。如图5所示，该预变形优化方法使经过预变形之后的hsp型复合材料螺旋桨的推进效率在设计工况(j＝0.851)时与刚性螺旋桨等同，而在非设计工况下优于刚性螺旋桨，拓宽了hsp型船用复合材料螺旋桨工作的高效区。由此表明，一种纤维增强复合材料船用螺旋桨预变形优化方法具有实际应用价值。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。