CN111159950A - 基于声固耦合的复合材料螺旋桨预应力湿模态预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于声固耦合的复合材料螺旋桨预应力湿模态预测方法，属于叶轮机械仿真技术领域。本发明基于有限元原理，将复合材料螺旋桨的流固耦合湿模态预测通过声固耦合方法实现，通过建立复合材料螺旋桨模型，同时建立相应的流场区域，对复合材料螺旋桨模型模型和流场区域进行网格划分，导入预应力，然后进行分析参数设置，最后输出模态分析结果，能够得出预应力湿模态频率及振型。本发明可预测复合材料螺旋桨在各种振源作用下产生的实际振动响应，充分考虑流体的附加质量的影响，能够实现对复合材料螺旋桨预应力湿模态的高精度预测，提高预测的真实度与可信度。

Description

基于声固耦合的复合材料螺旋桨预应力湿模态预测方法

技术领域

本发明涉及基于声固耦合的复合材料螺旋桨预应力湿模态预测方法，属于叶轮机械仿真技术领域。

背景技术

近年来，玻璃纤维增强聚合物基复合材料逐渐用于螺旋桨的研究与设计制造，相较于传统金属螺旋桨，复合材料螺旋桨具有高比强度、高比模量、轻质、耐疲劳、阻尼减振性好的优点，而且能够通过改变纤维铺层方向控制结构变形。与此同时，采用复合材料代替传统金属必须考虑其结构振动特性，螺旋桨在流场中运转时受到流场影响，结构的固有振动特性和响应与在空气中不同，流体的附加质量会对固有模态产生影响。当螺旋桨处于空气中时，模态分析为干模态；而当螺旋桨处于流体中时，模态分析是流固耦合问题，流体与固体介质交互作用，固体结构在流体载荷作用下会变形，而结构的变形反过来又对流场造成影响，从而引起流体载荷的大小和分布发生变化，因此必须采用湿模态方法对螺旋桨进行分析。

复合材料螺旋桨在流体中旋转时，会受到如离心力、流体动力、温差、振动的激励力的综合作用，复合材料螺旋桨桨叶的响应幅值随着激励力的振动频率的变化而变化，当施加外力的振动频率与复合材料螺旋桨的固有频率接近时，便会产生共振，共振会产生疲劳损伤，降低复合材料螺旋桨的使用寿命和推进效率，严重时还会发生复合材料螺旋桨断裂事故。所以，预防和避免共振现象时十分必要，需要了解复合材料螺旋桨的水下湿模态特性，为复合材料螺旋桨的动力调频及水弹性分析提供基础。

发明内容

本发明的目的是提出基于声固耦合的复合材料螺旋桨预应力湿模态预测方法，基于有限元方法，将复合材料螺旋桨的流固耦合湿模态预测通过声固耦合方法实现。通过基于声固耦合的复合材料螺旋桨预应力湿模态预测，能够识别出系统的模态参数，能够预测复合材料螺旋桨在各种振源作用下产生的实际振动响应。本发明能够应用于螺旋桨振动及噪声研究领域、复合材料螺旋桨铺层角优化领域及叶轮机械仿真技术领域。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明基于有限元原理，将复合材料螺旋桨的流固耦合湿模态预测通过声固耦合方法实现，通过建立复合材料螺旋桨模型，同时建立相应的流场区域，对复合材料螺旋桨和流场区域进行网格划分，导入预应力，设定复合材料螺旋桨的叶根处为固定端，设定复合材料螺旋桨的叶面与流场区域交界面为流固耦合交界面，然后进行分析设置，最后输出分析结果，能够得到复合材料螺旋桨的预应力湿模态频率及振型。本发明能够预测复合材料螺旋桨在各种振源作用下产生的实际振动响应，充分考虑了流体的附加质量的影响，能够实现对复合材料螺旋桨预应力湿模态的高精度预测，提高了预应力湿模态预测的真实度与可信度。本发明能够应用于复合材料螺旋桨振动及噪声研究领域、复合材料螺旋桨铺层角优化领域及叶轮机械仿真技术领域。

本发明公开的基于声固耦合的复合材料螺旋桨预应力湿模态预测方法，包括如下步骤：

步骤一：根据螺旋桨坐标变换原理，得出螺旋桨从切面型值到三维坐标值的变换公式，如公式(1)所示：

公式(1)中，x、y、z为螺旋桨三维坐标值，W为导边至最厚处长度，R_i为螺旋桨切面对应的不同半径，X、Y为半径R_i处切面型值，

为螺距角，θ为后倾角。

步骤二：将步骤一得出的螺旋桨三维坐标值导入三维建模软件生成金属螺旋桨模型，同时将金属螺旋桨的压力面模型、吸力面模型分别保存，获取金属螺旋桨的中面几何模型，金属螺旋桨叶面坐标值与叶背坐标值之和的一半即为金属螺旋桨中面坐标值，将金属螺旋桨中面坐标值导入三维建模软件能够得出金属螺旋桨的中面几何模型。

步骤三：将步骤二中的金属螺旋桨的中面几何模型导入基于复合材料力学理论和复合材料层合板理论的复合材料建模、分析专用软件，完成金属螺旋桨的中面几何模型的网格划分，在复合材料建模、分析专用软件中，设置单层玻璃纤维的材料属性，并创建纤维层、厚度及子层合板，将金属螺旋桨的中面几何模型作为对称中心进行纤维复合材料铺层，设定复合材料螺旋桨复合材料层合板各铺层材料性能及角度，导入步骤二中的金属螺旋桨的压力面模型和吸力面模型来约束复合材料螺旋桨外形，最终实现复合材料螺旋桨模型的建立和复合材料螺旋桨模型网格划分。

步骤四：将复合材料螺旋桨模型导入通用机械分析模块，同时建立相应的流场区域，利用通用机械分析模块的网格划分功能完成流场区域的网格划分。

步骤五：将复合材料建模、分析专用软件与通用机械分析模块所建立的复合材料螺旋桨三维模型与网格划分导入模态分析模块，根据声学分析方法的亥姆霍兹方程，在压力、密度波动非常小，流体不可压缩，并忽略二次高阶项的条件下，简化亥姆霍兹方程为线性波动方程，线性波动方程如公式(2)所示：

公式(2)中，c为流体介质声速，

k为流体体积模量，ρ为流体密度，P为声压力。

步骤六：在流场区域内对公式(2)进行积分，将声压力P以及复合材料螺旋桨的位移分量u_x，u_y，u_z分别通过流体单元形函数[N]、复合材料螺旋桨位移单元形函数[N']、节点压力矢量{P_e}和节点位移矢量{u_e}来表示，如公式(3)、公式(4)所示：

P＝{N}^T{P_e} (3)

u＝{N′}^T{u_e} (4)

则公式(2)进一步表示为：

公式(5)中，

为流体质量矩阵，

为流体阻尼矩阵，

为流体刚度矩阵，ρ₀[R_e]为流固耦合界面的耦合质量矩阵。

步骤七：将静态结构分析系统与模态分析模块相关联，建立预应力，进行分析设置：将复合材料螺旋桨叶根处设定为固定端，复合材料螺旋桨叶面与流场区域交界面则设定为流固耦合交界面，流场区域设定为声学体，设定流体的密度和传播声速，并将流场区域外表面设定为壁面，且对流场区域外边界施加压力为0的约束，使压力波在流场区域边界无反射，从而实现无限域的模拟，在模态分析模块中插入总变形，将几何形状设置为复合材料螺旋桨，然后能够得出复合材料螺旋桨的第一阶预应力湿模态，设置分析的阶数，能够得出复合材料螺旋桨相应阶数的预应力湿模态频率及振型。

步骤八：基于步骤一到步骤七能够得出复合材料螺旋桨预应力湿模态下的固有频率，还能够得出预应力湿模态下复合材料螺旋桨振型，完成最终的模态分析。模态分析结果能够为复合材料螺旋桨的振动及噪声准确预测、动力调频及流体弹性分析提供基础。本发明能够应用于螺旋桨振动及噪声研究领域、复合材料螺旋桨铺层角优化领域及叶轮机械仿真技术领域。

有益效果：

1、本发明的基于声固耦合的复合材料螺旋桨预应力湿模态预测方法，充分考虑了流体的附加质量的影响，提高了模态预测的真实度与可信度。

2、本发明的基于声固耦合的复合材料螺旋桨预应力湿模态预测方法，能够实现对复合材料螺旋桨桨叶预应力湿模态的高精度预测。

附图说明

图1为本发明的基于声固耦合的复合材料螺旋桨预应力湿模态预测方法流程图；

图2为本发明的复合材料螺旋桨中面网格图；

图3为本发明的复合材料螺旋桨的压力面、吸力面网格图；

图4为本发明的复合材料螺旋桨流场区域网格图；

图5为本发明的复合材料螺旋桨预应力湿模态频率图。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

实施例针对SEIUN-MARU大侧斜船用螺旋桨，应用本发明的基于声固耦合的复合材料螺旋桨预应力湿模态预测方法，构建复合材料螺旋桨模型，构建流场区域，并完成复合材料螺旋桨和流场区域的网格划分，通过建立预应力，进行分析设置，最终得出基于SEIUN-MARU大侧斜船用螺旋桨的复合材料螺旋桨的预应力湿模态，准确预测复合材料螺旋桨的振动及噪声，通过复合材料螺旋桨铺层角优化实现动力调频及水弹性分析。

SEIUN-MARU大侧斜船用螺旋桨的模型数据完全公开，主要几何参数如表1所示，被多届ITTC船舶推进器技术委员会选为考核算例。

表1 SEIUN-MARU大侧斜船用螺旋桨的几何参数

参数	数值	参数	数值
				直径(mm)	3600	轮毂比	0.1972
螺距比	0.92	侧斜角	45°
				表面积比	0.7	纵倾角	-3.03°
叶片数	5	叶厚比	0.0496

三维建模软件采用Solidworks，复合材料建模、分析专用软件采用ANSYSWorkbench平台中的ACP模块，通用机械分析模块采用ANSYS Mechanical模块，模态分析模块采用ANSYS Modal模块，静态结构分析系统采用ANSYS静态结构分析系统，采用ANSYS用户系统中的Pre-stress Modal模块将静态结构分析系统与模态分析模块相关联。

如附图1所示，本实施例公开的基于声固耦合的复合材料螺旋桨预应力湿模态预测方法，包括如下步骤：

步骤一：复合材料螺旋桨建模：螺旋桨的叶面形状十分复杂，是螺旋面的的一部分，螺旋桨设计图谱提供了螺旋桨切面型值。根据螺旋桨坐标变换原理，能够得出螺旋桨从切面型值到三维坐标值的变换公式，如公式(1)所示：

公式(1)中，x、y、z为螺旋桨三维坐标值，W为导边至最厚处长度，R_i为螺旋桨切面对应的不同半径；X、Y为半径R_i处切面型值；

为螺距角；θ为后倾角。

步骤二：将步骤一得出的螺旋桨三维坐标值导入Solidworks，生成金属螺旋桨模型，同时将金属螺旋桨的压力面模型、吸力面模型分别保存，获取金属螺旋桨的中面几何模型，金属螺旋桨的叶面坐标值和叶背坐标值之和的一半即为金属螺旋桨的中面坐标值，通过金属螺旋桨的中面坐标值能够得到金属螺旋桨的中面几何模型。

步骤三：将步骤二中的金属螺旋桨的中面几何模型导入ANSYS Workbench平台中的ACP模块，完成金属螺旋桨的中面几何模型网格划分，网格数为15123，金属螺旋桨的中面几何模型网格划分如附图2所示，在ACP模块中，设置单层玻璃纤维的材料属性，并创建纤维层、厚度及子层合板，将金属螺旋桨的中面几何模型作为对称中心进行纤维复合材料单向45度铺层，共铺设25层，每层厚度为0.5mm，根据金属螺旋桨模型调节各处复合材料的厚度，导入步骤二中的金属螺旋桨的压力面和吸力面来约束复合材料螺旋桨外形，复合材料螺旋桨的压力面、吸力面网格如附图3所示，完成复合材料螺旋桨模型的建立和网格的划分。

步骤四：将复合材料螺旋桨模型导入ANSYS Mechanical模块，同时建立流场区域，流场区域尺寸为200cm×500cm×100cm，完成流场区域的网格划分，网格数为42768，复合材料螺旋桨周围流场区域网格如附图4所示。

步骤五：将ACP模块与Mechanical模块所建立的三维模型与网格导入ANSYS Modal模块。根据声学分析方法的亥姆霍兹方程，在压力、密度波动非常小，流体不可压缩，并忽略二次高阶项的条件下，简化亥姆霍兹方程为线性波动方程。线性波动方程如公式(2)所示：

公式(2)中，c为流体介质声速，

k为流体体积模量，ρ为流体密度，P为声压力。

步骤六：在流场区域内对公式(2)进行积分，将声压力P以及复合材料螺旋桨的位移分量u_x，u_y，u_z分别通过流体单元形函数[N]、复合材料螺旋桨位移单元形函数[N']、节点压力矢量{P_e}和节点位移矢量{u_e}来表示，如公式(3)、公式(4)所示：

P＝{N}^T{P_e} (3)

u＝{N′}^T{u_e} (4)

则公式(2)能够进一步表示为：

式中，

为流体质量矩阵，

为流体阻尼矩阵，

为流体刚度矩阵，ρ₀[R_e]为流固耦合界面的耦合质量矩阵。

步骤七：在ANSYS用户系统中选择Pre-stress Modal模块，将ANSYS静态结构分析系统与ANSYS Modal相关联，即能够建立预应力，然后进行分析设置，默认最大分析6阶模态。

将复合材料螺旋桨叶根处设定为固定端，复合材料螺旋桨叶面与流场区域交界面则设置为流固耦合交界面，流场区域设置为声学体，设置流体密度为1000kg/m³，流体声速设置为1400m/s，参考静压设置为101325Pa，并将流场区域外表面定义为壁面且对流场区域外边界施加压力为0的约束，使压力波在流场区域边界无反射，从而实现无限域的模拟。

在ANSYS Modal模块中插入总变形，默认一阶模态，将几何形状设置为复合材料螺旋桨，然后能够得出复合材料螺旋桨的第一阶预应力湿模态，设置分析的阶数能够得出复合材料螺旋桨对应阶数的预应力湿模态，最终得到复合材料螺旋桨的前六阶预应力湿模态频率及振型，复合材料螺旋桨预应力湿模态频率分析结果如附图5所示。

步骤八：基于步骤一到步骤七能够得到复合材料螺旋桨预应力模态湿模态固有频率，还能够得到复合材料螺旋桨桨叶预应力湿模态振型，完成最终的模态分析，模态分析结果能够为复合材料螺旋桨的振动及噪声准确预测、动力调频及水弹性分析提供基础。本发明能够应用于螺旋桨振动及噪声研究领域、复合材料螺旋桨铺层角优化领域及叶轮机械仿真技术领域。

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。

Claims (5)

1.基于声固耦合的复合材料螺旋桨预应力湿模态预测方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一：根据螺旋桨坐标变换原理，得出螺旋桨从切面型值到三维坐标值的变换公式，如公式(1)所示：

公式(1)中，x、y、z为螺旋桨三维坐标值，W为导边至最厚处长度，R_i为螺旋桨切面对应的不同半径，X、Y为半径R_i处切面型值，

为螺距角，θ为后倾角；

步骤二：将步骤一得出的螺旋桨三维坐标值导入三维建模软件生成金属螺旋桨模型，同时将金属螺旋桨的压力面模型、吸力面模型分别保存，获取金属螺旋桨的中面几何模型，金属螺旋桨叶面坐标值与叶背坐标值之和的一半即为金属螺旋桨中面坐标值，将金属螺旋桨中面坐标值导入三维建模软件能够得出金属螺旋桨的中面几何模型；

步骤三：将步骤二中的金属螺旋桨的中面几何模型导入基于复合材料力学理论和复合材料层合板理论的复合材料建模、分析专用软件，完成金属螺旋桨的中面几何模型的网格划分，在复合材料建模、分析专用软件中，设置单层玻璃纤维的材料属性，并创建纤维层、厚度及子层合板，将金属螺旋桨的中面几何模型作为对称中心进行纤维复合材料铺层，设定复合材料螺旋桨复合材料层合板各铺层材料性能及角度，导入步骤二中的金属螺旋桨的压力面模型和吸力面模型来约束复合材料螺旋桨外形，最终实现复合材料螺旋桨模型的建立和复合材料螺旋桨模型网格划分；

步骤四：将复合材料螺旋桨模型导入通用机械分析模块，同时建立相应的流场区域，利用通用机械分析模块的网格划分功能完成流场区域的网格划分；

步骤五：将复合材料建模、分析专用软件与通用机械分析模块所建立的复合材料螺旋桨三维模型与网格划分导入模态分析模块，根据声学分析方法的亥姆霍兹方程，在压力、密度波动非常小，流体不可压缩，并忽略二次高阶项的条件下，简化亥姆霍兹方程为线性波动方程，线性波动方程如公式(2)所示：

公式(2)中，c为流体介质声速，

k为流体体积模量，ρ为流体密度，P为声压力；

步骤六：在流场区域内对公式(2)进行积分，将声压力P以及复合材料螺旋桨的位移分量u_x,u_y,u_z分别通过流体单元形函数[N]、复合材料螺旋桨位移单元形函数[N']、节点压力矢量{P_e}和节点位移矢量{u_e}来表示，如公式(3)、公式(4)所示：

P＝{N}^T{P_e} (3)

u＝{N′}^T{u_e} (4)

则公式(2)进一步表示为：

公式(5)中，

为流体质量矩阵，

为流体阻尼矩阵，

为流体刚度矩阵，ρ₀[R_e]为流固耦合界面的耦合质量矩阵；

步骤七：将静态结构分析系统与模态分析模块相关联，建立预应力，进行分析设置：

将复合材料螺旋桨叶根处设定为固定端，复合材料螺旋桨叶面与流场区域交界面则设定为流固耦合交界面，流场区域设定为声学体，设定流体的密度和传播声速，并将流场区域外表面设定为壁面，且对流场区域外边界施加压力为0的约束，使压力波在流场区域边界无反射，从而实现无限域的模拟，将几何形状设置为复合材料螺旋桨，然后能够得出复合材料螺旋桨的第一阶预应力湿模态，设置分析的阶数，能够得出复合材料螺旋桨相应阶数的预应力湿模态频率及振型；

步骤八：基于步骤一到步骤七能够得出复合材料螺旋桨预应力湿模态下的固有频率，还能够得出预应力湿模态下复合材料螺旋桨振型，完成最终的模态分析，模态分析结果能够为复合材料螺旋桨的振动及噪声准确预测、动力调频及流体弹性分析提供基础，本发明能够应用于螺旋桨振动及噪声研究领域、复合材料螺旋桨铺层角优化领域及叶轮机械仿真技术领域。

2.如权利要求1所述的基于声固耦合的复合材料螺旋桨预应力湿模态预测方法，其特征在于：所述复合材料为玻璃纤维增强聚合物。

3.如权利要求1所述的基于声固耦合的复合材料螺旋桨预应力湿模态预测方法，其特征在于：步骤一中所述公式(1)为螺旋桨从切面型值到三维坐标值的变换公式。

4.如权利要求1所述的基于声固耦合的复合材料螺旋桨预应力湿模态预测方法，其特征在于：步骤五中所述公式(2)为亥姆霍兹方程在压力、密度波动非常小，流体不可压缩，并忽略二次高阶项的条件下，简化后的线性波动方程。

5.如权利要求1所述的基于声固耦合的复合材料螺旋桨预应力湿模态预测方法，其特征在于：步骤七中所述分析设置包括：将复合材料螺旋桨叶根处设定为固定端，复合材料螺旋桨叶面与流场区域交界面则设定为流固耦合交界面，流场区域设定为声学体，设定流体的密度和传播声速，并将流场区域外表面设定为壁面，且对流场区域外边界施加压力为0的约束，使压力波在模型边界无反射，从而实现无限域的模拟，将几何形状设置为复合材料螺旋桨。

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