CN108357630A - 船用碳纤维复合材料大侧斜螺旋桨叶及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种船用碳纤维复合材料大侧斜螺旋桨叶的设计方法，设计碳纤维复合材料大侧斜桨叶的母型金属材料桨叶；确定碳纤维叠层单元的铺层设置方案；由所得结果堆叠生成单个碳纤维复合材料大侧斜桨叶实体几何模型，然后周向旋转复制得到叶片数个复合材料大侧斜桨叶实体几何模型；若不符合要求则修改铺层角度、铺层顺序、铺层厚度；确定船用碳纤维复合材料大侧斜螺旋桨叶模型。本发明还公开了一种船用碳纤维复合材料大侧斜螺旋桨叶。本发明能够有效填补国内该技术方面的缺项，甚至能进一步形成设计规范，有力促进国内船用高性能复合材料桨叶的自主研发和推广应用。设计方法也适用于复合材料喷泵和泵喷叶片设计。
Description
技术领域
本发明属于船舶推进器技术领域，具体涉及一种船用碳纤维复合材料大侧斜螺旋桨叶及其设计方法。
背景技术
现代水面船舶推进器主要是螺旋桨和喷水推进器两类，均为金属材料结构，如军用可调螺距螺旋桨(简称调距桨)主要采用的镍铝青铜、民用定螺距螺旋桨(简称定距桨)所采用的镍铝铜(NAB)和锰铝铜(MAB)以及喷水推进泵(简称喷泵)通常采用的双相不锈相钢材料等。先进船舶推进器的通用性能特征是：水动力效率高、空化临界转速(亦称为临界航速)高、振动和噪声小、强度和使用寿命满足要求。为了尽可能满足上述性能要求，推进器设计与研制历经了几次显著变革并且当前仍在完善与发展之中，如螺旋桨从最初的3叶桨发展到现代水面舰艇主要应用的5叶调距桨和喷泵、现代潜艇主要应用的7叶定距桨(通常具有大侧斜特征)和机械式泵喷推进器(简称常规泵喷，与最先进的集成电机式无轴泵喷相区别)，以及现代鱼雷所应用的对转螺旋桨(简称对转桨)和常规泵喷等。上述推进器的结构形式都是在逐步提升部分性能指标权重要求下的设计产物，如水动力效率不至于过低、临界航速适中、强度和使用寿命满足标准要求、但考核低航速(如水面舰船航速低于18节、潜艇低于6节)下的振动和噪声要尽可能小，且都是以优化改进叶型设计和引进叶片组合特征为主线，而叶片材料以及与之配套的加工成型工艺、模具等并无本质性的改变。
在当前突显振动和噪声控制，加重设备重量控制和约束加工制造成本的需求下，应用复合材料结构作为叶片设计主材料已经成为国际知名推进器厂商的先进技术途径之一，如Rolls-Royce公司公开的泵喷发明专利中([1]Banks S,Fowler J O.Submersiblepropulsion unit(水下推进装置),United States Patent,No.US8147284B2,2012-4-3)明确提出了常规泵喷的定子导管结构采用碳纤维复合材料、叶轮仍然采用金属材料(如镍-铝-铜或者是钢)的设计方案。该公司也是英国“机敏”级核潜艇所装备泵喷的制造商。可以大胆推断：也许正是采用了复合材料叶片结构，才有了当前“机敏”级潜艇泵喷解决配重难、辐射噪声控制难的结果。在军民用船舶推进器的需求牵引下，对于复合材料叶片设计方法及其成型工艺的探索，也越来越多地吸引了推进器厂商、船舶设计人员以及相关研究学者的目光，如德国海军2002年在206A型潜艇上成功安装了第一套碳纤维复合材料螺旋桨、随后又在212A型潜艇上安装了更大直径(13ft)的复合材料螺旋桨，并于2006年成功进行了系列海试且获得了理想的声学测试结果；再如QinetiQ公司2003年完成了直径2.9米的大型复合材料螺旋桨(复合材料桨叶、金属桨毂)的海试，同样获得了优异振动和噪声控制以及减重的效果。可以说，设计优秀复合材料桨叶已经成为了新型推进器研制的代表性技术之一。
鉴于螺旋桨叶三维曲面的复杂性，特别是军用螺旋桨叶通常含有大侧斜、纵倾和变截面厚度特征，使得经典的复合材料层合板理论无法直接应用于复合材料桨叶设计上，也还没有形成相应的通用设计流程或者是设计规范，导致设计方法并不完善，加上当前国内见著报道的复合材料螺旋桨成功设计案例及其工程应用更是少之又少，迫切需要加快自主研发进程。
纤维增强树脂基复合材料(简称纤维复合材料)结构发挥其比强度和比刚度高、振动噪声低、重量轻、高效区宽等核心技术优势的本质在于：纤维材料具有各向异性的力学特征，纤维类型、纤维体积分数、纤维铺层堆叠方向、铺层顺序、铺层角度、纤维织布厚度、铺层加工成型方法等因素均会直接影响纤维材料结构的力学性能。理论上，若选择与激励力载荷完全相适应的纤维铺层布置方案，则可以设计出适应变工况载荷且性能显著优于金属材料桨的复合材料桨叶结构。但难点在于：当前并没有可供直接借鉴的船用螺旋桨叶纤维铺层布置方案，即使是作为桨叶基元的翼型复合材料结构，可用水动力和静力学分析试验数据也非常稀少，导致设计方法无法真正向收敛集中的方向靠拢。如当前法律状态显示为无权的发明专利“碳纤维复合材料船用螺旋桨的设计方法(CN 101706833 A，2010.5.12)”和“纤维增强复合材料船用螺旋桨叶片的优化设计方法(CN 101706832 A，2010.5.12)”中给出的纤维铺层初选方案均为[0°/45°/90°/45°/90°/45°/90°]，而发明专利“一种复合材料螺旋桨的多工况推进性能优化设计方法(CN 105677945 A，2016.6.15)”中给出的纤维铺层角度和顺序为[0°/45°/90°/45°/90°/45°]，再如发明专利“一种舰船复合材料螺旋桨叶片预成型体及其制备方法(CN 106079474 A，2016.11.9)”中给出的铺层方案为[-30°/0°/45°/-30°/0°/45°]、以及实用新型专利“一种碳纤维船用螺旋桨叶片(CN 206456532 U，2017.9.1)中给出的各单向碳纤维铺层角度为0°、±45°和90°交替分布”等等，给设计人员的参考借鉴造成了困难，为设计方法的推广应用制造了障碍。
有关船用复合材料螺旋桨方面，在中国专利网中以“复合材料螺旋桨”为关键词进行检索时，所检索专利主要集中于复合材料桨叶模型描述和成型工艺方面，如发明专利“自适应仿生复合材料螺旋桨叶片(CN 102530212 A，2012.7.4)”给出了一种导边刚性叶芯和随边柔性材料组合而成的桨叶结构，桨叶形状拟自适应船尾伴流攻角变化；发明专利“一种复合材料螺旋桨(CN 106184672 A，2016.12.7)”提供了复合材料桨叶和金属材料桨毂基座成型工艺，发明专利“一种多叶复合材料螺旋桨成型方法(CN 106965456 A，2017.7.21)”描述了多叶复合材料桨叶和复合材料桨毂整体成型工艺等等，直接描述桨叶铺层设计方案选择理由以及背后所蕴含的物理机制方面几乎为空白。
从上述研究背景和应用现状可以看出，当前复合材料桨叶的应用需求很强烈，但限于设计方法并不完善，加工成型工艺也正在积极探索之中，特别是舰艇所用螺旋桨对振动噪声有着严格要求，使得其叶型具有高稠密度、大侧斜和纵倾等特征，更进一步加大了优秀复合材料桨叶模型设计的难度，导致自主创新研发进程缓慢。
发明内容：
为了克服上述背景技术的缺陷，本发明提供一种船用碳纤维复合材料大侧斜螺旋桨、桨叶及其设计方法，能够有效填补国内该技术方面的缺项，甚至能进一步形成设计规范，有力促进国内船用高性能复合材料桨叶的自主研发和推广应用。
为了解决上述技术问题本发明的所采用的技术方案为：
一种船用碳纤维复合材料大侧斜螺旋桨叶设计方法，包括：
步骤1，设计碳纤维复合材料大侧斜桨叶的母型金属材料桨叶；
步骤2，确定碳纤维叠层单元的铺层设置方案，包括铺层角度、铺层顺序和铺层厚度；
步骤3，由步骤2所得结果堆叠生成单个碳纤维复合材料大侧斜桨叶实体几何模型，然后周向旋转复制得到叶片数个复合材料大侧斜桨叶实体几何模型；
步骤4，计算步骤3所得模型的水动力性能，水动力性能包括水动力效率，判断水动力效率与步骤1所得的母型大侧斜金属材料桨叶的差距是否在预设范围之内，若是，则进入步骤5，若否，则回到步骤2并修改铺层设置方案；
步骤5，提取步骤4水动力性能计算结果中的桨叶壁面不同网格节点处的坐标信息和压力载荷，结合步骤3得到的实体几何模型进行有限元计算，获取碳纤维复合材料螺旋桨叶的静力学特征，提取碳纤维铺层应力，判断碳纤维铺层应力是否小于预设许用应力，若是，则进入步骤6，若否，则回到步骤2并修改铺层设置方案；
步骤6，采用有限元方法计算步骤S5所得到的碳纤维复合材料螺旋桨叶的模态频率，判断桨叶固有频率是否满足频率错位要求，若是，则进入步骤7，若否，则回到步骤S1并增加母型大侧斜金属材料桨叶叶截面厚度；
步骤7，确定船用碳纤维复合材料大侧斜螺旋桨叶模型。
较佳地，碳纤维叠层单元为单层或多层纤维织布；多层纤维织布按照给定铺层角度和铺层顺序堆叠而成；纤维织布包括单向纤维和编织型纤维。
较佳地，步骤2确定碳纤维叠层单元的铺层设置方案，铺层设置方案包括铺层角度、铺层顺序和铺层厚度包括：
铺层角度包括纤维主方向0°、层间横向90°，以及30°至45°范围区间的角度；编织型纤维叠层单元中，铺层角度优先选择±45°；若堆叠基准面为拱弧面，铺层角度向后侧斜方向和前侧斜方向两边交叉布置，且偏向后侧斜方向的铺层厚度比例大于前侧斜方向；堆叠基准面为与叶根截面相同半径的扩展曲面时，铺层角度向桨叶压力面和吸力面方向两边交叉布置，且偏向压力面方向的铺层厚度比例大于吸力面方向；
单个桨叶的碳纤维铺层厚度变化沿叶截面弦长方向应尽量保持连续性，使得曲率连续。
较佳地，碳纤维叠层单元包括编织型碳纤维叠层单元和单向碳纤维叠层单元，铺层设置方案包括：
碳纤维叠层单元选用编织型碳纤维，由下至上铺层角度依次为0°、-45°、90°、45°和0°，由下至上铺层厚度比例为1:2:1:2:1，堆叠基准面为拱弧面；
或碳纤维叠层单元选用单向碳纤维，由下至上铺层角度依次为0°、-30°、-45°、45°、30°和0°，由下至上铺层厚度比例为1:2:2:1:1:1，堆叠基准面为拱弧面；
或碳纤维叠层单元选用编织型碳纤维，由下至上铺层角度依次为0°、45°、-45°和0°，由下至上铺层厚度比例为1:2:2:1，堆叠基准面为与叶根截面相同半径的扩展方形曲面；
或碳纤维叠层单元选用单向碳纤维，由下至上铺层角度依次为0°、45°、90°、-45°和0°，由下至上铺层厚度比例为1:2:1:2:1，堆叠基准面为与叶根截面相同半径的扩展方形曲面；
或碳纤维叠层单元由下至上铺层角度为-45°、45°，由下至上铺层厚度比例为2:1。
较佳地，复合材料桨叶实体几何构造过程中，若堆叠基准面是拱弧面，则碳纤维参考方向为径向，叠层单元的堆叠方向为拱弧面双面法向，分别向桨叶压力面和吸力面方向铺设叠层单元，直至总的铺层厚度完全包裹住桨叶；若基准面是与叶根截面相同半径的扩展方形曲面，碳纤维参考方向为弦长方向，叠层单元的堆叠方向为从叶根至叶梢的径向方向，单向铺设叠层单元，直至总的铺层厚度完全包裹住桨叶；修剪多余复合材料部位并光顺拟合桨叶外表面，使碳纤维铺层的实体几何完全与母型金属材料桨叶重合，即得到复合材料桨叶三维实体几何。
较佳地，步骤6判断桨叶固有频率是否满足频率错位要求的方法包括，判断桨叶一阶湿模态频率是否高于设计工况下叶频的30％以上，叶频＝转速*叶片数。
较佳地，桨叶由数个碳纤维叠层单元堆叠生成单个碳纤维复合材料大侧斜桨叶实体几何模型，单个碳纤维复合材料大侧斜桨叶实体几何模型周向旋转复制得到N个复合材料大侧斜桨叶实体几何模型，N为复合材料大侧斜桨叶实体几何模型的叶片数。
较佳地，叶片数N为5；桨叶水动力效率大于0.65，碳纤维叠层单元由6层单向碳纤维织布堆叠而成，织布铺层角度由下至上依次为0°、-30°、-45°、45°、30°和0°，织布铺层厚度比例由下至上依次为1:2:2:1:1:1。
较佳地，桨叶从叶根到叶梢截面的侧斜角分布为向螺旋桨参考线两边平衡侧斜。
较佳地，复合材料桨叶的母型金属材料桨叶由开源程序OpenProp设计得到，设计参数包括桨叶片数、额定转速、桨叶直径、桨毂直径、设计航速和船体阻力6个外部参数以及桨叶不同半径处叶截面的弦长、厚度分布规律、拱度分布规律、最大厚度、侧斜角和纵倾6个内部参数。
本发明的有益效果在于：针对当前船用复合材料桨叶设计方法不完善的现状，提出了一种碳纤维复合材料大侧斜低噪声螺旋桨叶模型及其设计方法，所设计复合材料螺旋桨叶具有在设计工况下水动力效率与母型金属材料桨叶相当但振动噪声更小、重量更轻的技术特征。设计碳纤维复合材料螺旋桨叶由单向碳纤维叠层单元堆叠而成，叠层单元的铺层角度为[0°/-30°/-45°/45°/30°/0°]，各层织布厚度比例1:2:2:1:1:1，5片桨叶的纤维铺层方案完全相同，右旋，桨叶侧斜度55％。设计桨叶在航速18节、转速140转/分时敞水效率0.671。该设计方案中采用的桨叶铺层设计方法也适用于复合材料喷泵叶轮和导叶体叶片以及复合材料泵喷转子和定子叶片的设计，该技术措施推广应用后可进一步促进低噪声船舶推进器的工程应用。
附图说明
图1是本发明碳纤维复合材料大侧斜低噪声螺旋桨叶的碳纤维叠层单元铺层方案及其力学性能；
图2是本发明碳纤维复合材料大侧斜低噪声螺旋桨叶的母型桨叶三维几何图；
图3是本发明碳纤维复合材料大侧斜低噪声螺旋桨叶的母型桨叶水动力性能曲线图；
图4是本发明船用碳纤维复合材料大侧斜低噪声螺旋桨叶设计流程图；
图5是本发明船用碳纤维复合材料大侧斜低噪声螺旋桨叶实体几何建模时的拱弧面堆叠基准面；
图6是本发明船用碳纤维复合材料大侧斜低噪声螺旋桨叶实体几何建模时的与叶根截面相同半径的扩展曲面堆叠基准面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
下面通过图1～图6以及列举本发明的一些可选实施例的方式，对本发明的技术方案(包括优选技术方案)做进一步的详细描述，本实施例内的任何技术特征以及任何技术方案均不限制本发明的保护范围。
实施例一
一种船用碳纤维复合材料大侧斜螺旋桨叶设计方法，包括：
步骤1，设计碳纤维复合材料大侧斜桨叶的母型金属材料桨叶；
步骤2，确定碳纤维叠层单元的铺层设置方案，包括铺层角度、铺层顺序和铺层厚度；
步骤3，由步骤2所得结果堆叠生成单个碳纤维复合材料大侧斜桨叶实体几何模型，然后周向旋转复制得到叶片数个复合材料大侧斜桨叶实体几何模型；
步骤4，计算步骤3所得模型的水动力性能，水动力性能包括水动力效率，判断水动力效率与步骤1所得的母型大侧斜金属材料桨叶的差距是否在预设范围之内，若是，则进入步骤5，若否，则回到步骤2并修改铺层设置方案，修改铺层角度、铺层顺序；
步骤5，提取步骤4水动力性能计算结果中的桨叶壁面不同网格节点处的坐标信息和压力载荷，结合步骤3得到的实体几何模型进行有限元计算，获取碳纤维复合材料螺旋桨叶的静力学特征，提取碳纤维铺层应力，判断碳纤维铺层应力是否小于预设许用应力，若是，则进入步骤6，若否，则回到步骤2并修改铺层设置方案，修改铺层厚度)；
步骤6，采用有限元方法计算步骤S5所得到的碳纤维复合材料螺旋桨叶的模态频率，判断桨叶固有频率是否满足频率错位要求，若是，则进入步骤7，若否，则回到步骤S1并增加母型大侧斜金属材料桨叶叶截面厚度；
步骤7，确定船用碳纤维复合材料大侧斜螺旋桨叶模型。
碳纤维叠层单元为单层或多层纤维织布；多层纤维织布按照给定铺层角度和铺层顺序堆叠而成；纤维织布包括单向纤维和编织型纤维。
步骤2确定碳纤维叠层单元的铺层设置方案，铺层设置方案包括铺层角度、铺层顺序和铺层厚度包括：
铺层角度包括纤维主方向0°、层间横向90°，以及30°至45°范围区间的角度；编织型纤维叠层单元中，铺层角度优先选择±45°；若堆叠基准面为拱弧面，铺层角度向后侧斜方向和前侧斜方向两边交叉布置，且偏向后侧斜方向的铺层厚度比例大于前侧斜方向；堆叠基准面为与叶根截面相同半径的扩展曲面时，铺层角度向桨叶压力面和吸力面方向两边交叉布置，且偏向压力面方向的铺层厚度比例大于吸力面方向；
单个桨叶的碳纤维铺层厚度变化沿叶截面弦长方向应尽量保持连续性，使得曲率连续。
碳纤维叠层单元包括编织型碳纤维叠层单元和单向碳纤维叠层单元；编织型碳纤维叠层单元中各个编织型碳纤维的铺层角度的方案包括：碳纤维叠层单元选用编织型碳纤维，由下至上铺层角度依次为0°、-45°、90°、45°和0°，由下至上铺层厚度比例为1:2:1:2:1，堆叠基准面为拱弧面；或碳纤维叠层单元选用单向碳纤维，由下至上铺层角度依次为0°、-30°、-45°、45°、30°和0°，由下至上铺层厚度比例为1:2:2:1:1:1，堆叠基准面为拱弧面；或碳纤维叠层单元选用编织型碳纤维，由下至上铺层角度依次为0°/45°/-45°/0°，由下至上铺层厚度比例为1:2:2:1，堆叠基准面为与叶根截面相同半径的扩展方形曲面；或碳纤维叠层单元选用单向碳纤维，由下至上铺层角度依次为0°、45°、90°、-45°和0°，由下至上铺层厚度比例为1:2:1:2:1，堆叠基准面为与叶根截面相同半径的扩展方形曲面；或碳纤维叠层单元由下至上铺层角度为-45°、45°，由下至上铺层厚度比例为2:1。
复合材料桨叶实体几何构造过程中，若堆叠基准面是拱弧面，则碳纤维参考方向为径向，叠层单元的堆叠方向为拱弧面双面法向，分别向桨叶压力面和吸力面方向铺设叠层单元，直至总的铺层厚度完全包裹住桨叶；若基准面是与叶根截面相同半径的扩展方形曲面，碳纤维参考方向为弦长方向，叠层单元的堆叠方向为从叶根至叶梢的径向方向，单向铺设叠层单元，直至总的铺层厚度完全包裹住桨叶；修剪多余复合材料部位并光顺拟合桨叶外表面，使碳纤维铺层的实体几何完全与母型金属材料桨叶重合，即得到复合材料桨叶三维实体几何。
步骤6判断桨叶固有频率是否满足频率错位要求的方法包括，判断桨叶一阶湿模态频率是否高于设计工况下叶频的30％以上，叶频＝转速*叶片数。
本实施例所述涉及方法的具体流程如图4所示，包括
步骤S1，依据设计参数要求，由开源程序OpenProp设计得出满足设计工况性能需求的母型大侧斜金属材料桨叶，并根据桨叶型值在三维CAD软件中绘制桨叶三维几何模型，提取碳纤维叠层单元的堆叠基准面；
设计参数包括：桨叶片数、额定转速、桨叶直径、桨毂直径、设计航速和船体阻力。母型桨叶的设计输入参数包括：桨叶不同半径处叶截面的弦长、厚度分布规律、拱度分布规律、最大厚度、侧斜角和纵倾。母型桨叶设计工况性能是否满足要求所指为：设计航速和额定转速下桨叶的水动力效率不低于0.65。所设计桨叶三维几何模型绘制时，控制参数为：不同半径处叶截面的弦长、螺距、最大厚度、最大拱度、侧斜角和纵倾。
母型桨叶的设计输入参数值确定时，优先借鉴当前船舶推进器领域的设计经验，以尽可能实现水动力效率高、抗空化能力强、振动噪声低的设计目标。如设计输入参数值优先取已成功通过海试测量的低噪声渔政船FRV 40桨型值、取美国海军驱逐舰用桨模DTMB5168桨型值、以及取引进于KaMeWa公司的现代5叶调距桨型值，甚至是将上述优秀设计案例的设计输入参数进行联合使用，以增强设计成效。
母型桨叶设计时，还应考虑船尾轴向非均匀进流使水动力效率降低的影响，如典型双桨水面舰船船尾在不同半径处周向平均的轴向速度分量与航速的比值为：
v1/v2＝-0.168*(r/R)2+0.4032*(r/R)+0.7559
由母型金属材料桨叶替换得到碳纤维复合材料桨叶时，叠层单元的堆叠基准面有两种典型选择：一是母型桨叶拱弧面，如图5中所示，二是与母型桨叶叶根截面相同半径的扩展曲面，如图6中所示。从铺层堆叠实施便利来看，优选桨叶拱弧面。
步骤S2，在ANSYS ACP复合材料分析模块中优化计算碳纤维叠层单元的铺层设置方案，包括铺层角度、铺层顺序和铺层厚度。根据计算结果向纤维制造厂商订制碳纤维叠层单元，或者是订制进一步由不同叠层单元构成的子层合板。
碳纤维叠层单元可以是单层纤维织布，也可以是多层纤维织布按照给定铺层角度和铺层顺序堆叠而成的组合单元。优选由多层纤维织布堆叠而成的组合单元。碳纤维材料可以是单向纤维，也可以是编织型纤维。按照经费预算，首先选择纤维材料类型和叠层单元的纤维织布层数，如2，3，…，6等，然后再根据织布层数优化确定铺层角度、铺层顺序和铺层厚度。
通过全面梳理复合材料叶片设计与分析方面的学术文献，并经过自我设计检验，本发明首次整理得出了船用螺旋桨叶碳纤维叠层单元铺层设计时的5条设计经验，①铺层中纤维方向尽量与桨叶受力载荷方向一致，叠层单元层间受力尽可能小；②综合考虑水动力效率和叶梢变形后应力集中问题，铺层角度除纤维主方向0°和层间横向90°外，选择范围为30°～45°；③为了控制复合材料桨叶的弯扭耦合作用，堆叠基准面为拱弧面时，铺层角度向后侧斜方向和前侧斜方向两边交叉布置，且偏向后侧斜方向的铺层厚度比例更大，预期通过桨叶变形来改变叶截面的螺距角，进而改变水动力性能。堆叠基准面为与叶根截面相同半径的扩展曲面时，铺层角度向桨叶压力面(凹面)和吸力面(凸面)方向两边交叉布置，且偏向压力面方向的铺层厚度比例更大。④编织型纤维叠层单元中，因纤维在层间两个方向的力学性能相同，铺层角度为45°时综合力学性能要优于其它角度；⑤为了抑制纤维层间出现撕裂、褶皱和扭曲失效形态，桨叶铺层厚度变化应尽量保持连续性。
遵照上述设计经验，船用螺旋桨叶碳纤维叠层单元的铺层方案可以选择：①编织型碳纤维，叠层单元的铺层角度为[0°/-45°/90°/45°/0°]，各层织布厚度比例为1:2:1:2:1，堆叠基准面为拱弧面；②单向碳纤维，叠层单元的铺层角度为[0°/-30°/-45°/45°/30°/0°]，各层织布厚度比例为1:2:2:1:1:1，堆叠基准面为拱弧面；③编织型碳纤维，叠层单元的铺层角度为[0°/45°/-45°/0°]，各层织布厚度比例为1:2:2:1，堆叠基准面为叶根截面相同半径的扩展曲面；④单向碳纤维，叠层单元的铺层角度为[0°/45°/90°/-45°/0°]，各层织布厚度比例为1:2:1:2:1，堆叠基准面为叶根截面相同半径的扩展曲面。若纤维制造厂商无法完成上述多层纤维织布的加工订制，可以将叠层单元简化为铺层角度[-45°/45°]、厚度比例2:1的简化配置。
步骤S3，在ANSYS ACP复合材料分析模块中由碳纤维叠层单元堆叠得到单个碳纤维复合材料大侧斜桨叶实体几何模型；
复合材料桨叶实体几何构造过程中，堆叠基准面是拱弧面时，碳纤维参考方向(0°纤维方向)为径向，叠层单元的堆叠方向为拱弧面双面法向，分别向桨叶压力面和吸力面方向铺设叠层单元，直至总的铺层厚度完全包裹住桨叶。基准面是与叶根截面相同半径的扩展曲面时，碳纤维参考方向为弦长方向，叠层单元的堆叠方向为从叶根至叶梢的径向方向，单向铺设叠层单元，直至总的铺层厚度完全包裹住桨叶。最后借助ACP模块中实体建模时的修剪铺层(Cut off geometries)与贴附铺层(Snap to geometry)功能，修剪两种铺设方案中多余复合材料部位并光顺拟合桨叶外表面，使碳纤维铺层的实体几何完全与母型金属材料桨叶重合，即得到复合材料桨叶三维实体几何。
步骤S4，在ANSYS Workbench平台中，采用计算流体力学方法计算步骤S3所得复合材料桨叶模型在设计工况和非设计工况下的水动力性能，提取推力系数、力矩系数和水动力效率结果。若进匀进流条件下水动力效率低于母型金属材料桨5％以上，则回到步骤S2修改叠层单元铺层方案中的铺层角度和铺层顺序，反之，则进一步提取计算结果中的桨叶壁面不同网格节点处的坐标信息和压力载荷，进行下一步；
步骤S5，在ANSYS Workbench平台中，将步骤S2得到的复合材料桨叶实体几何模型和步骤S4提取得到的桨叶壁面压力载荷同时传递至结构静力学分析模块，有限元计算碳纤维复合材料螺旋桨叶的静力学特征，提取碳纤维铺层的应力和应变结果。若最大应力小于许用应力，则满足强度要求，可视化应力集中区域、查看不同纤维织布的变形云图后进行下一步，反之，则回到步骤S2修改叠层单元铺层方案中的铺层厚度比例；
步骤S6，采用有限元方法计算步骤S5所得到的碳纤维复合材料螺旋桨叶的模态频率，若桨叶一阶湿模态频率高于设计工况下叶频(转速*叶片数)的30％以上，则认为桨叶固有频率满足频率错位要求，能够避免共振，进行下一步；反之，应回到步骤S1成比例增加桨叶叶截面厚度；
步骤S7，确定船用碳纤维复合材料大侧斜低噪声螺旋桨叶模型。
实施例二
一种如实施例一所述方法设计而成的船用碳纤维复合材料大侧斜螺旋桨叶：桨叶由数个碳纤维叠层单元堆叠生成单个碳纤维复合材料大侧斜桨叶实体几何模型，单个碳纤维复合材料大侧斜桨叶实体几何模型周向旋转复制得到N个复合材料大侧斜桨叶实体几何模型，N为复合材料大侧斜桨叶实体几何模型的叶片数。
叶片数N为5；桨叶水动力效率大于0.65，碳纤维叠层单元由6层单向碳纤维织布堆叠而成，织布铺层角度由下至上依次为0°、-30°、-45°、45°、30°和0°，织布铺层厚度比例由下至上依次为1:2:2:1:1:1。
桨叶从叶根到叶梢截面的侧斜角分布为向螺旋桨参考线两边平衡侧斜。
本实施例设计的船用碳纤维复合材料大侧斜低噪声螺旋桨叶模型，包括5片完全相同的单向碳纤维复合材料桨叶，由单向碳纤维叠层单元堆叠而成。所述叠层单元由6层碳纤维织布3236/T300/10堆叠而成，每层织布厚度0.2mm，各层织布由底至顶的铺层角度[0°/-30°/-45°/45°/30°/0°]，厚度比例为1:2:2:1:1:1，如图1中所示。所述碳纤维复合材料桨叶旋向为右旋，具有大侧斜特征，侧斜度55％。所述碳纤维复合材料桨叶三维实体几何建模时，碳纤维叠层单元的堆叠基准面为母型金属材料桨叶的拱弧面，堆叠方向为拱弧面双面法向，堆叠实施时分别向桨叶压力面和吸力面方向对称铺设。与母型金属材料大侧斜桨叶相比，该碳纤维复合材料大侧斜桨叶能够在保持水动力效率相当的情况下减小振动噪声、减轻重量。
本实施例中，所述碳纤维复合材料大侧斜低噪声螺旋桨叶的母型金属材料桨叶由开源程序OpenProp设计得到，设计参数包括桨叶片数、额定转速、桨叶直径、桨毂直径、设计航速和船体阻力6个外部参数以及桨叶不同半径处叶截面的弦长、厚度分布规律、拱度分布规律、最大厚度、侧斜角和纵倾6个内部参数。所设计得到叶片的三维型值由不同半径处叶截面的弦长、螺距、最大厚度、最大拱度、侧斜角和纵倾6个参数描述。设计得到叶片的三维几何如图2中所示，水动力性能曲线如图3中所示。图3中，横坐标为桨叶工作点进速系数，纵坐标为桨叶推力系数、力矩系数和水动力效率，表达式为：
其中，v为进流速度，n为转速，D为直径，ρ为流体密度，T为推力，Q为力矩。桨叶最高效率大于0.7，设计工况工作点效率为0.671，已经考虑2％的计算误差。
本实施例中，所述碳纤维复合材料大侧斜低噪声螺旋桨叶的母型桨叶设计时，设计参数中不同半径处叶截面的弦长值直接取低噪声桨FRV 40的弦长值(数据已公开)、不同半径处叶截面的最大厚度值直接取DTMB 5168桨的厚度值(数据已公开)、不同半径处叶截面的侧斜角和纵倾值直接取KaMeWa现代5叶调距桨的侧斜角和纵倾值(内部数据)。上述内部参数组合后，可以联合发挥FRV 40桨低噪声、DTMB 5168桨抗空化性能优良以及KaMeWa现代5叶调距桨应用大侧斜抑制振动噪声的技术优势，使复合材料桨叶的母型桨在设计工况具备空化临界转速高、振动和噪声小、强度满足要求的技术特征。
本实施例中，所述碳纤维复合材料大侧斜低噪声螺旋桨叶在不同半径处的叶截面采用NACA66(mod)翼型厚度分布和NACAα＝0.8拱度分布。
本实施例中，所述碳纤维复合材料大侧斜低噪声螺旋桨叶的碳纤维叠层单元的铺层设计方案在ANSYS ACP复合材料分析模块中确定，所述铺层设计方案包括叠层单元的织布层数、织布铺层角度和织布厚度比例、纤维参考方向以及堆叠方向。
本实施例中，所述碳纤维复合材料大侧斜低噪声螺旋桨叶从叶根到叶梢截面的侧斜角分布为向螺旋桨参考线两边平衡侧斜，侧斜角先正后负再正。侧斜角的正负定义为后侧斜方向(旋转反方向)为正，反之为负。
本实施例设计的船用碳纤维复合材料大侧斜低噪声螺旋桨叶模型，包括5片完全相同的单向碳纤维复合材料桨叶，由单向碳纤维叠层单元堆叠而成。所述叠层单元由6层碳纤维织布3236/T300/10堆叠而成，每层织布厚度0.2mm，各层织布由底至顶的铺层角度[0°/-30°/-45°/45°/30°/0°]，厚度比例为1:2:2:1:1:1，如图1中所示。所述碳纤维复合材料桨叶旋向为右旋，具有大侧斜特征，侧斜度55％。所述碳纤维复合材料桨叶三维实体几何建模时，碳纤维叠层单元的堆叠基准面为母型金属材料桨叶的拱弧面，堆叠方向为拱弧面双面法向，堆叠实施时分别向桨叶压力面和吸力面方向对称铺设。与母型金属材料大侧斜桨叶相比，该碳纤维复合材料大侧斜桨叶能够在保持水动力效率相当的情况下减小振动噪声、减轻重量。
本实施例中，所述碳纤维复合材料大侧斜低噪声螺旋桨叶的母型金属材料桨叶由开源程序OpenProp设计得到，设计参数包括桨叶片数、额定转速、桨叶直径、桨毂直径、设计航速和船体阻力6个外部参数以及桨叶不同半径处叶截面的弦长、厚度分布规律、拱度分布规律、最大厚度、侧斜角和纵倾6个内部参数。所设计得到叶片的三维型值由不同半径处叶截面的弦长、螺距、最大厚度、最大拱度、侧斜角和纵倾6个参数描述。设计得到叶片的三维几何如图2中所示，水动力性能曲线如图3中所示。图3中，横坐标为桨叶工作点进速系数，纵坐标为桨叶推力系数、力矩系数和水动力效率，表达式为：
其中，v为进流速度，n为转速，D为直径，ρ为流体密度，T为推力，Q为力矩。桨叶最高效率大于0.7，设计工况工作点效率为0.671，已经考虑2％的计算误差。
本实施例中，所述碳纤维复合材料大侧斜低噪声螺旋桨叶的母型桨叶设计时，设计参数中不同半径处叶截面的弦长值直接取低噪声桨FRV 40的弦长值(数据已公开)、不同半径处叶截面的最大厚度值直接取DTMB 5168桨的厚度值(数据已公开)、不同半径处叶截面的侧斜角和纵倾值直接取KaMeWa现代5叶调距桨的侧斜角和纵倾值(内部数据)。上述内部参数组合后，可以联合发挥FRV 40桨低噪声、DTMB 5168桨抗空化性能优良以及KaMeWa现代5叶调距桨应用大侧斜抑制振动噪声的技术优势，使复合材料桨叶的母型桨在设计工况具备空化临界转速高、振动和噪声小、强度满足要求的技术特征。所述桨叶在设计航速18节、转速140转/分时船后桨效率为0.671、消耗功率3.84MW，实桨直径为3.6米，适用于船体阻力为292kN的双桨船推进。
本实施例中，所述碳纤维复合材料大侧斜低噪声螺旋桨叶在不同半径处的叶截面采用NACA66(mod)翼型厚度分布和NACA α＝0.8拱度分布。
本实施例中，所述碳纤维复合材料大侧斜低噪声螺旋桨叶的碳纤维叠层单元的铺层设计方案在ANSYS ACP复合材料分析模块中确定，所述铺层设计方案包括叠层单元的织布层数、织布铺层角度和织布厚度比例、纤维参考方向以及堆叠方向。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种船用碳纤维复合材料大侧斜螺旋桨叶设计方法，其特征在于，包括：
步骤1，设计碳纤维复合材料大侧斜桨叶的母型金属材料桨叶；
步骤2，确定碳纤维叠层单元的铺层设置方案，包括铺层角度、铺层顺序和铺层厚度；
步骤3，由步骤2所得结果堆叠生成单个碳纤维复合材料大侧斜桨叶实体几何模型，然后周向旋转复制得到叶片数个复合材料大侧斜桨叶实体几何模型；
步骤4，计算步骤3所得模型的水动力性能，所述水动力性能包括水动力效率，判断所述水动力效率与步骤1所得的所述母型大侧斜金属材料桨叶的差距是否在预设范围之内，若是，则进入步骤5，若否，则回到步骤2并修改所述铺层设置方案；
步骤5，提取所述步骤4水动力性能计算结果中的桨叶壁面不同网格节点处的坐标信息和压力载荷，结合所述步骤3得到的所述实体几何模型进行有限元计算，获取碳纤维复合材料螺旋桨叶的静力学特征，提取碳纤维铺层应力，判断所述碳纤维铺层应力是否小于预设许用应力，若是，则进入步骤6，若否，则回到步骤2并修改所述铺层设置方案；
步骤6，采用有限元方法计算所述步骤5所得到的碳纤维复合材料螺旋桨叶的模态频率，判断桨叶固有频率是否满足频率错位要求，若是，则进入步骤7，若否，则回到步骤1并增加所述母型大侧斜金属材料桨叶叶截面厚度；
步骤7，确定船用碳纤维复合材料大侧斜螺旋桨叶模型。
2.根据权利要求1所述的一种船用碳纤维复合材料大侧斜螺旋桨叶设计方法，其特征在于：所述碳纤维叠层单元为单层或多层纤维织布；多层纤维织布按照给定铺层角度和铺层顺序堆叠而成；所述纤维织布包括单向纤维和编织型纤维。
3.根据权利要求1所述的一种船用碳纤维复合材料大侧斜螺旋桨叶设计方法，其特征在于，所述步骤2确定所述碳纤维叠层单元的铺层设置方案，所述铺层设置方案包括铺层角度、铺层顺序和铺层厚度包括：
铺层角度包括纤维主方向0°、层间横向90°，以及30°至45°范围区间的角度；编织型纤维叠层单元中，铺层角度优先选择±45°；若堆叠基准面为拱弧面，铺层角度向后侧斜方向和前侧斜方向两边交叉布置，且偏向后侧斜方向的铺层厚度比例大于前侧斜方向；堆叠基准面为与叶根截面相同半径的扩展曲面时，铺层角度向桨叶压力面和吸力面方向两边交叉布置，且偏向压力面方向的铺层厚度比例大于吸力面方向；
单个桨叶的碳纤维铺层厚度变化沿叶截面弦长方向应尽量保持连续性，使得曲率连续。
4.根据权利要求1所述的一种船用碳纤维复合材料大侧斜螺旋桨叶设计方法，其特征在于：
所述碳纤维叠层单元包括编织型碳纤维叠层单元和单向碳纤维叠层单元，铺层设置方案包括：
所述碳纤维叠层单元选用编织型碳纤维，由下至上铺层角度依次为0°、-45°、90°、45°和0°，由下至上铺层厚度比例为1:2:1:2:1，堆叠基准面为拱弧面；
或所述碳纤维叠层单元选用单向碳纤维，由下至上铺层角度依次为0°、-30°、-45°、45°、30°和0°，由下至上铺层厚度比例为1:2:2:1:1:1，堆叠基准面为拱弧面；
或所述碳纤维叠层单元选用编织型碳纤维，由下至上铺层角度依次为0°、45°、-45°和0°，由下至上铺层厚度比例为1:2:2:1，堆叠基准面为与叶根截面相同半径的扩展方形曲面；
或所述碳纤维叠层单元选用单向碳纤维，由下至上铺层角度依次为0°、45°、90°、-45°和0°，由下至上铺层厚度比例为1:2:1:2:1，堆叠基准面为与叶根截面相同半径的扩展方形曲面；
或所述碳纤维叠层单元由下至上铺层角度为-45°、45°，由下至上铺层厚度比例为2:1。
5.根据权利要求1所述的一种船用碳纤维复合材料大侧斜螺旋桨叶设计方法，其特征在于：复合材料桨叶实体几何构造过程中，若堆叠基准面是拱弧面，则碳纤维参考方向为径向，叠层单元的堆叠方向为拱弧面双面法向，分别向桨叶压力面和吸力面方向铺设叠层单元，直至总的铺层厚度完全包裹住桨叶；若基准面是与叶根截面相同半径的扩展方形曲面，碳纤维参考方向为弦长方向，叠层单元的堆叠方向为从叶根至叶梢的径向方向，单向铺设叠层单元，直至总的铺层厚度完全包裹住桨叶；修剪多余复合材料部位并光顺拟合桨叶外表面，使碳纤维铺层的实体几何完全与母型金属材料桨叶重合，即得到复合材料桨叶三维实体几何。
6.根据权利要求1所述的一种船用碳纤维复合材料大侧斜螺旋桨叶设计方法，其特征在于，所述步骤6判断桨叶固有频率是否满足频率错位要求的方法包括，判断桨叶一阶湿模态频率是否高于设计工况下叶频的30％以上，所述叶频＝转速*叶片数。
7.一种应用如权利要求1-6任一项所述方法设计而成的船用碳纤维复合材料大侧斜螺旋桨叶，其特征在于：
所述桨叶由数个碳纤维叠层单元堆叠生成单个碳纤维复合材料大侧斜桨叶实体几何模型，所述单个碳纤维复合材料大侧斜桨叶叶片实体几何模型周向旋转复制得到叶片数为N的复合材料大侧斜桨叶实体几何模型。
8.根据权利要求7所述的一种船用碳纤维复合材料大侧斜螺旋桨叶，其特征在于：所述叶片数N为5；所述桨叶水动力效率大于0.65，所述碳纤维叠层单元由6层单向碳纤维织布堆叠而成，织布铺层角度由下至上依次为0°、-30°、-45°、45°、30°和0°，织布铺层厚度比例由下至上依次为1:2:2:1:1:1。
9.根据权利要求8所述的一种船用碳纤维复合材料大侧斜螺旋桨叶，其特征在于：所述桨叶从叶根到叶梢截面的侧斜角分布为向螺旋桨参考线两边平衡侧斜。
10.根据权利要求8所述的一种船用碳纤维复合材料大侧斜螺旋桨叶，其特征在于：所述复合材料桨叶的母型金属材料桨叶由开源程序OpenProp设计得到，设计参数包括桨叶片数、额定转速、桨叶直径、桨毂直径、设计航速和船体阻力6个外部参数以及桨叶不同半径处叶截面的弦长、厚度分布规律、拱度分布规律、最大厚度、侧斜角和纵倾6个内部参数。
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