CN101706832A - 纤维增强复合材料船用螺旋桨叶片的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

纤维增强复合材料船用螺旋桨叶片的优化设计方法，它涉及一种螺旋桨叶片的优化设计方法。本发明的目的是为了解决纤维增强复合材料船用螺旋桨设计方法不完善的问题。本发明是在原有高速金属螺旋桨桨叶型值数据的基础上，通过使用流-固耦合的方法，结合预变形策略的实施计算出来的，桨叶结构由混杂纤维复合材料构成，表皮采用的是玻璃纤维增强复合材料，内部则是碳纤维和Kelvar纤维增强复合材料的混合，其具体的混合铺设方式及混合比例由纤维增强复合材料船用螺旋桨的水弹设计结果确定。本发明用于设计螺旋桨叶片。

Description

纤维增强复合材料船用螺旋桨叶片的优化设计方法

技术领域

本发明涉及一种螺旋桨叶片的优化设计方法。

背景技术

近年来，随着各类新型舰艇及高速船舶日益发展，对螺旋桨振动、噪声以及推进性能的要求也显著提高。尽管目前已有很多新型金属螺旋桨(如大侧斜螺旋桨，导管螺旋桨，泵喷导管螺旋桨)相继出现，但它们都往往难以在推进性能、噪声及质量等多方面达到一个良好的平衡。

目前，纤维增强复合材料在船舶领域的广泛使用给螺旋桨的设计者提供了全新的契机。但国内在此方面仍处于起步阶段，缺乏系统完善的纤维增强复合材料船用螺旋桨设计方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决纤维增强复合材料螺旋桨设计方法不完善的问题，提出了一种纤维增强复合材料船用螺旋桨叶片的优化设计方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：所述优化设计方法由以下步骤实现的：

步骤一：用单向碳纤维与环氧树脂复合，制作碳纤维复合材料标准试件，并完成试验测试，获取弹性常数及泊松比性能参数，其中：在X，Y，Z方向的弹性模量均大于8e9Pa，，泊松比大于0.2、剪切模量大于3e9Pa；

步骤二：根据高速金属螺旋桨桨叶型值数据，使用三维实体构型软件UG构建纤维增强复合材料船用螺旋桨的几何模型；

步骤三：将纤维增强复合材料船用螺旋桨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，并结合步骤一中实验获取的弹性常数及泊松比性能参数及初步设计选定的铺层方式

构建纤维增强复合材料船用螺旋桨叶片的有限元模型；

步骤四：将纤维增强复合材料船用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，完成流体网格的划分；

步骤五：结合纤维增强复合材料船用螺旋桨的运行工况，即进速比J＝V_a/nD，转速n及水动力性能即推力系数K_T＝T/ρn²D⁴，扭矩系数K_Q＝Q/ρn²D⁵，效率η＝JK_T/2πK_Q的设计要求，建立基于RANS方程的流体动力学计算分析模型，如公式(1)

$\frac{\∂}{\∂t}\left({\mathrm{\ρu}}_i\right)+\frac{\∂}{{\∂x}_j}\left({\mathrm{\ρu}}_i{u}_j\right)=-\frac{\∂p}{{\∂x}_i}+\frac{\∂}{{\∂x}_j}(\mathrm{\μ}\frac{{\∂u}_i}{{\∂x}_j}-\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{{u_i}^{\′}{u_j}^{\′}})+S_i---\left(1\right)$

求解RANS方程，从而获取流动速度及作用在纤维增强复合材料船用螺旋桨上的水动力；

步骤六：将纤维增强复合材料船用螺旋桨的有限元模型与流体动力学计算分析模型相耦合，获得纤维增强复合材料船用螺旋桨的流固耦合计算方程，如公式(2)：

$\left\{\right[K_l]+[K_0]+[K_g]-[K_r\left]\right\}\left\{u\right\}-\underset{A}{\∫}{\left[N\right]}^{T}n\left\{P_v\right\}\mathrm{dA}=\left\{F_{\mathrm{ext}}\right\}+\left\{F_r\right\}+\underset{A}{\∫}{\left[N\right]}^{T}n\left\{P_r\right\}\mathrm{dA}---\left(2\right)$

使用Newton-Raphson方法求解该方程，完成迭代收敛计算，从而获取该几何外形及结构形式下纤维增强复合材料船用螺旋桨的水动力性能特征及几何非线性结构响应情况即应力和变形；

步骤七：根据流固耦合计算获取的结果，判断其是否满足纤维增强复合材料船用螺旋桨水动力的性能要求以及刚度的设计要求，即推力系数大于0.1，扭矩系数大于0.01，如果满足，则完成纤维增强复合材料船用螺旋桨的初步设计；

步骤八：如果不满足水动力和刚度设计要求，则需要对纤维增强复合材料船用螺旋桨实施预变形：首先在有限元软件中提取叶片各节点的几何坐标即X，Y，Z，然后根据流-固耦合计算结果，在X、Y、Z轴方向上提取叶片各节点处变形值即UX，UY，UZ，接下来结合叶形所受流体力的分布情况，在步骤二中的高速金属螺旋桨桨叶型几何外形的基础上实行预先变形，在X、Y、Z轴方向上使各节点坐标取值为X+UX，Y+UY，Z+UZ，从而确定新的纤维增强复合材料船用螺旋桨叶片的几何形式；

步骤九：在新的纤维增强复合材料船用螺旋桨叶片几何形式的基础上，重复步骤二一步骤八的过程，对新的纤维增强复合材料船用螺旋桨叶片几何外形实行预先变形，直至满足纤维增强复合材料船用螺旋桨的水动力性能要求，完成纤维增强复合材料船用螺旋桨的初步设计，获取适合于碳纤维增强复合材料船用螺旋桨的几何外形；

步骤十：根据步骤三中的铺层方法建立高效能低振动纤维增强复合材料船用螺旋桨的有限元模型，其中桨叶表面一层使用玻璃纤维铺设，内部由碳纤维和Kevlar纤维按1∶1的重量份数比交替铺设，铺放角度初选为[0°₂/45°₂/90°₂/45°₂/90°₂/45°₂/90°₂]_s；

步骤十一：结合步骤十中建立的有限元模型与步骤四及步骤五建立的流体力学分析模型，完成高效能低振动纤维增强复合材料船用螺旋桨的水弹分析，其耦合方程如下：

$\left(\right[M]+[A\left]\right)\left\{\stackrel{\·\·}{U}\right\}+\left(\right[C]+[\stackrel{\‾}{C}\left]\right)\left\{\stackrel{\·}{U}\right\}+\left(\right[K]+[\stackrel{\‾}{B}\left]\right)\left\{U\right\}=F_h+F_r---\left(16\right)$

其中M，C，K分别是质量，、阻尼和刚度矩阵、

和U分别是加速度、速度和位移矢量，A、C、B分别为附加质量、附加阻尼和附加刚度矩阵，F_h和F_r则分别为流体力和离心力；

步骤十二：将碳纤维与Kevlar纤维复合材料体系分别按三种配合比例即N∶1其中N＞1混合，利用遗传算法，将结构铺层顺序及铺放角度0°、±15°、±45°及90°作为设计参数，将水下湿态固有频率作为约束条件，将质量、动强度及阻尼振动响应作为纤维增强复合材料船用螺旋桨的目标函数，建立高效能低振动纤维增强复合材料船用螺旋桨的优化算法；

步骤十三：根据步骤十一完成纤维增强复合材料船用螺旋桨的水弹分析及计算结果，利用多目标评价体系就优化算法下的目标函数进行综合评价，比较所有方案的最优值，获得高效能低振动复合材料船用螺旋桨所需的材料体系配合比例及结构内部铺设方式。

本发明具有以下有益效果：本发明设计的纤维增强复合材料船用螺旋桨叶片具有轻质，高强，低振，耐腐蚀及抗冲击性好等多方面优点，可较金属螺旋桨减重30％以上，提高推进效率5％以上，减少轴系振动，延长螺旋桨的使用寿命，本发明设计的纤维增强复合材料船用螺旋桨叶片能够在推进性能、噪声和质量三方面达到一个良好的平衡.

附图说明

图1是本发明的桨叶几何外形的设计流程图；图2是本发明的内部结构示意图，(高阻尼玻璃纤维复合材料1、代表碳纤维2、Kevlar纤维3)；图3是本发明的内部结构形式设计流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的优化设计方法由以下步骤实现的：

步骤一：用单向碳纤维与环氧树脂复合，制作碳纤维复合材料标准试件，并完成试验测试，获取弹性常数及泊松比性能参数，其中：在X，Y，Z方向的弹性模量均大于8e9Pa，，泊松比大于0.2、剪切模量大于3e9Pa；

步骤二：根据高速金属螺旋桨桨叶型值数据，使用三维实体构型软件UG构建纤维增强复合材料船用螺旋桨的几何模型；

步骤三：将纤维增强复合材料船用螺旋桨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，并结合步骤一中实验获取的弹性常数及泊松比性能参数及初步设计选定的铺层方式

构建纤维增强复合材料船用螺旋桨叶片的有限元模型；

步骤四：将纤维增强复合材料船用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，完成流体网格的划分；

步骤五：结合纤维增强复合材料船用螺旋桨的运行工况，即进速比J＝V_a/nD，转速n及水动力性能即推力系数K_T＝T/ρn²D⁴，扭矩系数K_Q＝Q/ρn²D⁵，效率η＝JK_T/2πK_Q的设计要求，建立基于RANS方程的流体动力学计算分析模型，如公式(1)

$\frac{\∂}{\∂t}\left({\mathrm{\ρu}}_i\right)+\frac{\∂}{{\∂x}_j}\left({\mathrm{\ρu}}_i{u}_j\right)=-\frac{\∂p}{{\∂x}_i}+\frac{\∂}{{\∂x}_j}(\mathrm{\μ}\frac{{\∂u}_i}{{\∂x}_j}-\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{{u_i}^{\′}{u_j}^{\′}})+S_i---\left(1\right)$

求解RANS方程，从而获取流动速度及作用在纤维增强复合材料船用螺旋桨上的水动力；

推导公式(1)的过程如下：

三维纤维增强复合材料船用螺旋桨叶片在粘性湍流中旋转，其连续方程和基于RANS的动量方程分别为：

连续方程： $\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}+\frac{\∂}{\∂x_i}\left({\mathrm{\ρu}}_i\right)=0---\left(3\right)$

动量方程： $\frac{\∂}{\∂t}\left({\mathrm{\ρu}}_i\right)+\frac{\∂}{\∂x_j}\left({\mathrm{\ρu}}_i{u}_j\right)=-\frac{\∂p}{{\∂x}_i}+\frac{\∂}{{\∂x}_j}(\mathrm{\μ}\frac{{\∂u}_i}{{\∂x}_j}-\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{u_i^{\′}{u}_j^{\′}})+S_i---\left(4\right)$

其中u为笛卡尔坐标系统下的速度矢量，p是静态压力，μ是分子粘度，-ρu′_iu′_j是Reynolds应力；

根据Boussines提出的湍粘假定，建立Reynolds应力相对于平均速度梯度的关系：

$-\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{{u_i}^{\′}{u_j}^{\′}}={\mathrm{\μ}}_i(\frac{{\∂u}_i}{{\∂x}_j}+\frac{{\∂u}_j}{{\∂x}_i})-\frac{2}{3}(\mathrm{\ρk}+{\mathrm{\μ}}_t\frac{{\∂u}_i}{{\∂x}_i}){\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}---\left(5\right)$

这里δ_ij是“Kronecker delta”符号(当i＝j时，δ_ij＝1；当i≠j时，δ_ij＝0)，μ_t为湍动粘度，u_i为时均速度，k为湍动能

使用SSTk-ω模型，此时湍动粘度与湍动能k和湍动频率ω间有如下关系

${\mathrm{\μ}}_t=\mathrm{\ρ}\frac{k}{\mathrm{\ω}}---\left(6\right)$

同时建立相应的两个输送方程即k方程和ω方程，其分别表达如下：

k-方程 $\frac{\∂\left(\mathrm{\ρk}\right)}{\∂t}+\frac{\∂}{{\∂x}_i}\left({\mathrm{\ρku}}_i\right)=\frac{\∂}{{\∂x}_j}\left[(\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{{\mathrm{\σ}}_k})\frac{\∂k}{{\∂x}_j}\right]+P_k-{\mathrm{\β}}^{\′}\mathrm{\ρk\ω}---\left(7\right)$

ω-方程 $\frac{\∂\left(\mathrm{\ρ\ω}\right)}{\∂t}+\frac{\∂}{{\∂x}_i}\left({\mathrm{\ρ\ωu}}_i\right)=\frac{\∂}{{\∂x}_j}\left[(\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}}})\frac{\∂\mathrm{\ω}}{{\∂x}_j}\right]+\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\ω}}{k}{P}_k-\mathrm{\β}\mathrm{\ρ}{\mathrm{\ω}}^2---\left(8\right)$

根据以上Boussinesq涡粘假定及相应的两方程输送方程，RANS方程就可以完成封闭求解，从而获取流动速度及作用在纤维增强复合材料船用螺旋桨上的水动力；

步骤六：将纤维增强复合材料船用螺旋桨的有限元模型与流体动力学计算分析模型相耦合，获得纤维增强复合材料船用螺旋桨的流固耦合计算方程，如公式(2)：

$\left\{\right[K_l]+[K_0]+[K_g]-[K_r\left]\right\}\left\{u\right\}-\underset{A}{\∫}{\left[N\right]}^{T}n\left\{P_v\right\}\mathrm{dA}=\left\{F_{\mathrm{ext}}\right\}+\left\{F_r\right\}+\underset{A}{\∫}{\left[N\right]}^{T}n\left\{P_r\right\}\mathrm{dA}---\left(2\right)$

公式(2)推导过程如下：

首先通过基于RANS方程的计算流体力学分析方法获得作用在纤维增强复合材料船用螺旋桨上的水动力

$F_h=\underset{A}{\∫}{\left[N\right]}^T\mathrm{nPdA}---\left(9\right)$

其中dA是流体与结构的相互作用边界，n是外部法向矢量，P是作用在结构上的总压力，它能够被分解为两部分：

P＝P_r+P_v                        (10)

P_r和P_v分别是由于叶片旋转与弹性变形产生的水动压力；

在纤维增强复合材料船用螺旋桨叶的有限元模型的基础上，构建出几何非线性的有限元分析方程

{[K_l]+[K₀]+[K_g]-[K_r]}{u}＝{F_ext}+{F_r}+{F_h}        (11)

其中{u}是局部节点位移矢量，{F_ext}，{F_h}和{F_r}分别是外力，流体力和离心载荷；[K_l]，[K₀]，[K_g]和[K_r]分别是线性刚度矩阵，初始位移矩阵，几何矩阵和旋转刚度矩阵，它们分别被定义为：

[K_l]＝∫B^TDB_LdV                   (12)

[K₀]∫(B^TDB_L+B_L ^TDB_L+B_L ^TDB)dV      (13)

$\left[K_g\right]={\∫G}^T\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\σ}}_x& {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}\\ {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}& {\mathrm{\σ}}_y\end{array}\right]\mathrm{GdV}---\left(14\right)$

[K_r]＝ρ∫[N]^T[A][N]dV            (15)

其中BandB_L分别是线性与非线性的应变-位移转换矩阵，D是与材料性质有关的材料矩阵，G是根据坐标定义的矩阵，[N]是位移插值函数矩阵，[A]是角速度矩阵，ρ是构成叶片材料的密度

将公式(7)和(8)代入(9)中，则可获得纤维增强复合材料船用螺旋桨的流固耦合计算方程，如下：

$\left\{\right[K_l]+[K_0]+[K_g]-[K_r\left]\right\}\left\{u\right\}-\underset{A}{\∫}{\left[N\right]}^{T}n\left\{P_v\right\}\mathrm{dA}=\left\{F_{\mathrm{ext}}\right\}+\left\{F_r\right\}+\underset{A}{\∫}{\left[N\right]}^{T}n\left\{P_r\right\}\mathrm{dA}---\left(2\right)$

使用Newton-Raphson方法求解该方程，获取该几何外形及结构形式下纤维增强复合材料船用螺旋桨的水动力性能特征及几何非线性结构响应情况(应力及变形)；

步骤七：根据流固耦合计算获取的结果，判断其是否满足纤维增强复合材料船用螺旋桨水动力的性能要求以及刚度的设计要求，即推力系数大于0.1，扭矩系数大于0.01，如果满足，则完成纤维增强复合材料船用螺旋桨的初步设计；

步骤八：如果不满足水动力和刚度设计要求，则需要对纤维增强复合材料船用螺旋桨实施预变形：首先在有限元软件中提取叶片各节点的几何坐标X，Y，Z，然后根据流-固耦合计算结果，在X、Y、Z轴方向上提取叶片各节点处变形值UX，UY，UZ，接下来结合叶形所受流体力的分布情况，在步骤二中的高速金属螺旋桨桨叶型几何外形的基础上实行预先变形，在X、Y、Z轴方向上使各节点坐标取值为X+UX，Y+UY，Z+UZ，从而确定新的纤维增强复合材料船用螺旋桨叶片的几何形式；

步骤九：在新的纤维增强复合材料船用螺旋桨叶片几何形式的基础上，重复步骤二一步骤八的过程，对新的纤维增强复合材料船用螺旋桨叶片几何外形实行预先变形，直至满足纤维增强复合材料船用螺旋桨的水动力性能要求，完成纤维增强复合材料船用螺旋桨的初步设计，获取适合于碳纤维增强复合材料船用螺旋桨的几何外形；

叶片的内部结构形式是在确定了纤维增强复合材料船用螺旋桨的几何外形后，进一步完成纤维增强复合材料船用螺旋桨的水弹分析，并通过利用遗传优化算法获得的；优化过程中采用玻璃纤维增强复合材料作为纤维增强复合材料船用螺旋桨的表皮材料，碳纤维和Kelvar纤维增强复合材料混合作为其内部填充材料(如图2)，将碳纤维与Kevlar纤维的不同组合方式及铺放角度作为优化参数，将质量，动强度及阻尼振动响应作为优化目标，将桨叶的固有频率作为约束条件，最终确定综合评定值较高的叶片内部结构形式，从而提出高效能低振动的船用纤维增强复合材料船用螺旋桨的设计方案；整个设计过程将流体动力学设计与复合材料结构设计有效的结合在一起；其具体的实现步骤如下(如图3)：

步骤十：根据步骤三中所述的方法建立高效能低振动复合材料纤维增强复合材料船用螺旋桨的有限元模型，其中桨叶表面一层使用玻璃纤维铺设，内部由碳纤维和Kevlar纤维按1∶1的重量份数比交替铺设，铺放角度初选为[0°₂/45°₂/90°₂/45°₂/90°₂/45°₂/90°₂]_s；

步骤十一：结合步骤十中建立的有限元模型与步骤四及步骤五建立的流体力学分析模型，完成高效能低振动纤维增强复合材料船用螺旋桨的水弹分析，其耦合方程如下：

$\left(\right[M]+[A\left]\right)\left\{\stackrel{\·\·}{U}\right\}+\left(\right[C]+[\stackrel{\‾}{C}\left]\right)\left\{\stackrel{\·}{U}\right\}+\left(\right[K]+[\stackrel{\‾}{B}\left]\right)\left\{U\right\}=F_h+F_r---\left(16\right)$

其中M，C，K分别是质量、阻尼和刚度矩阵，和U分别是加速度，速度和位移矢量，A、C、B分别为附加质量、附加阻尼和附加刚度矩阵，F_h和F_r则分别为流体力和离心力；

步骤十二：将碳纤维与Kevlar纤维复合材料体系分别按三种配合比例即N∶1其中N＞1混合，利用遗传算法，将结构铺层顺序及铺放角度0°、±15°、±45°及90°作为设计参数，将水下湿态固有频率作为约束条件，将质量，动强度及阻尼振动响应作为纤维增强复合材料船用螺旋桨的目标函数，建立高效能低振动纤维增强复合材料船用螺旋桨的优化算法；

步骤十三：根据步骤十一完成纤维增强复合材料船用螺旋桨的水弹分析及算结果，利用多目标评价体系就优化算法下的目标函数进行综合评价，比较所有方案的最优值，获得高效能低振动纤维增强复合材料船用螺旋桨所需的材料体系配合比例及结构内部铺设方式。

具体实施方式二：本实施方式的步骤二中高速金属螺旋桨为大侧斜或导管螺旋桨，转速为n＞1000rpm。其他组成及连接关系与具体实施方式一相同。

Claims (2)

1.一种纤维增强复合材料船用螺旋桨叶片的优化设计方法，其特征在于所述优化设计方法由以下步骤实现的：

步骤一：用单向碳纤维与环氧树脂复合，制作碳纤维复合材料标准试件，并完成试验测试，获取弹性常数及泊松比性能参数，其中：在X，Y，Z方向的弹性模量均大于8e9Pa，，泊松比大于0.2、剪切模量大于3e9Pa；

步骤二：根据高速金属螺旋桨桨叶型值数据，使用三维实体构型软件UG构建纤维增强复合材料船用螺旋桨的几何模型；

步骤三：将纤维增强复合材料船用螺旋桨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，并结合步骤一中实验获取的弹性常数及泊松比性能参数及初步设计选定的铺层方式()，构建纤维增强复合材料船用螺旋桨叶片的有·限元模型；

步骤四：将纤维增强复合材料船用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，完成流体网格的划分；

步骤五：结合纤维增强复合材料船用螺旋桨的运行工况，即进速比J＝V_a/nD，转速n及水动力性能即推力系数K_T＝T/ρn²D⁴，扭矩系数K_Q＝Q/ρn²D⁵，效率η＝JK_T/2πK_Q的设计要求，建立基于RANS方程的流体动力学计算分析模型，如公式(1)

$\frac{\∂}{\∂t}\left({\mathrm{\ρu}}_i\right)+\frac{\∂}{{\∂x}_j}\left({\mathrm{\ρu}}_i{u}_j\right)=-\frac{\∂p}{{\∂x}_i}+\frac{\∂}{{\∂x}_j}(\mathrm{\μ}\frac{{\∂u}_i}{{\∂x}_j}-\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{{u_i}^{\′}{u_j}^{\′}})+S_i---\left(1\right)$

求解RANS方程，从而获取流动速度及作用在纤维增强复合材料船用螺旋桨上的水动力；

步骤六：将纤维增强复合材料船用螺旋桨的有限元模型与流体动力学计算分析模型相耦合，获得纤维增强复合材料船用螺旋桨的流固耦合计算方程，如公式(2)：

$\left\{\right[K_l]+[K_0]+[K_g]-[K_r\left]\right\}\left\{u\right\}-\underset{A}{\∫}{\left[N\right]}^{T}n\left\{P_v\right\}\mathrm{dA}=\left\{F_{\mathrm{ext}}\right\}+\left\{F_r\right\}+\underset{A}{\∫}{\left[N\right]}^{T}n\left\{P_r\right\}\mathrm{dA}---\left(2\right)$

使用Newton-Raphson方法求解该方程，完成迭代收敛计算，从而获取该几何外形及结构形式下纤维增强复合材料船用螺旋桨的水动力性能特征及几何非线性结构响应情况即应力和变形；

步骤七：根据流固耦合计算获取的结果，判断其是否满足纤维增强复合材料船用螺旋桨水动力的性能要求以及刚度的设计要求，即推力系数大于0.1，扭矩系数大于0.01，如果满足，则完成纤维增强复合材料船用螺旋桨的初步设计；

步骤八：如果不满足水动力和刚度设计要求，则需要对纤维增强复合材料船用螺旋桨实施预变形：首先在有限元软件中提取叶片各节点的几何坐标即X，Y，Z，然后根据流-固耦合计算结果，在X、Y、Z轴方向上提取叶片各节点处变形值即UX，UY，UZ，接下来结合叶形所受流体力的分布情况，在步骤二中的高速金属螺旋桨桨叶型几何外形的基础上实行预先变形，在X、Y、Z轴方向上使各节点坐标取值为X+UX，Y+UY，Z+UZ，从而确定新的纤维增强复合材料船用螺旋桨叶片的几何形式；

步骤九：在新的纤维增强复合材料船用螺旋桨叶片几何形式的基础上，重复步骤二一步骤八的过程，对新的纤维增强复合材料船用螺旋桨叶片几何外形实行预先变形，直至满足纤维增强复合材料船用螺旋桨的水动力性能要求，完成纤维增强复合材料船用螺旋桨的初步设计，获取适合于碳纤维增强复合材料船用螺旋桨的几何外形；

步骤十：根据步骤三中的铺层方法建立高效能低振动纤维增强复合材料船用螺旋桨的有限元模型，其中桨叶表面一层使用玻璃纤维铺设，内部由碳纤维和Kevlar纤维按1∶1的重量份数比交替铺设，铺放角度初选为[0°₂/45°₂/90°₂/45°₂/90°₂/45°₂/90°₂]_s；

步骤十一：结合步骤十中建立的有限元模型与步骤四及步骤五建立的流体力学分析模型，完成高效能低振动纤维增强复合材料船用螺旋桨的水弹分析，其耦合方程如下：

$\left(\right[M]+[A\left]\right)\left\{\stackrel{\·\·}{U}\right\}+\left(\right[C]+[\stackrel{\‾}{C}\left]\right)\left\{\stackrel{\·}{U}\right\}+\left(\right[K]+[\stackrel{\‾}{B}\left]\right)\left\{U\right\}=F_h+F_r---\left(16\right)$

其中M，C，K分别是质量，、阻尼和刚度矩阵、

和U分别是加速度、速度和位移矢量，A、C、B分别为附加质量、附加阻尼和附加刚度矩阵，F_h和F_r则分别为流体力和离心力；

步骤十二：将碳纤维与Kevlar纤维复合材料体系分别按三种配合比例即N∶1其中N＞1混合，利用遗传算法，将结构铺层顺序及铺放角度0°、±15°、±45°及90°作为设计参数，将水下湿态固有频率作为约束条件，将质量、动强度及阻尼振动响应作为纤维增强复合材料船用螺旋桨的目标函数，建立高效能低振动纤维增强复合材料船用螺旋桨的优化算法；

步骤十三：根据步骤十一完成纤维增强复合材料船用螺旋桨的水弹分析及计算结果，利用多目标评价体系就优化算法下的目标函数进行综合评价，比较所有方案的最优值，获得高效能低振动复合材料船用螺旋桨所需的材料体系配合比例及结构内部铺设方式。

2.根据权利要求1所述纤维增强复合材料船用螺旋桨叶片的优化设计方法，其特征在于所述步骤二中高速金属螺旋桨为大侧斜或导管螺旋桨，转速为n＞1000rpm。

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