CN112464530B - 一种夹层结构复合材料螺旋桨有限元建模方法 - Google Patents

一种夹层结构复合材料螺旋桨有限元建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种夹层结构复合材料螺旋桨有限元建模方法，首先建立螺旋桨阻尼层和增强芯层三维几何模型，然后建立叶背侧复合材料层实体有限元模型和叶面侧复合材料层实体有限元模型，接下来再建立阻尼层实体有限元模型和增强芯层实体有限元模型，最终将叶背侧复合材料层实体有限元模型、叶面侧复合材料层实体有限元模型、阻尼层实体有限元模型和增强芯层实体有限元模型导入到Mechanical Model模块中，再根据实际的相互接触关系在复合材料层与复合材料层、复合材料层与阻尼层、阻尼层与增强芯层之间建立合适的接触关系以传递求解信息。本方法采用修改过的叶剖面曲线进行阻尼层和增强芯层的几何建模，建模方法简单，阻尼层和增强芯层的形状与尺寸也易于控制。

Description

一种夹层结构复合材料螺旋桨有限元建模方法
技术领域
本发明属于水下航行器技术领域，具体涉及一种螺旋桨有限元建模方法。
背景技术
随着人类对海洋的不断探索和国家海洋强国战略的提出，自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，简称AUV)在科学考察，海洋探测及军事侦查领域的作用愈发重要。随着AUV不断向着大深度、大航程、长航时和低噪音迈进，航行器对效率和噪声的要求逐渐提升。当前各类水下航行器大都采用螺旋桨作为推进器，而螺旋桨的效率和噪声水平对航行器的效率和噪声有重要影响。当前螺旋桨大多采用铜合金制成，不仅质量大，其振动和抗腐蚀特性也不理想。
为了克服金属螺旋桨的缺点，人们从上世纪70年代就开始了对复合材料螺旋桨的研究，并在一些舰船、潜艇和航行器上进行了大量试验与应用。数值仿真也从上世纪90年代开始逐渐开展。复合材料螺旋桨的质量、振动、抗腐蚀特性与可靠性都优于传统金属螺旋桨，并且复合材料螺旋桨独特的弯扭耦合特性也能提升螺旋桨效率。另一方面，为了提升结构的阻尼特性人们对阻尼夹层结构进行了广泛研究，但目前研究多局限于板或梁结构。而将阻尼夹层结构引入复合材料螺旋桨中可以进一步提升复合材料螺旋桨的振动和噪声性能。
复合材料螺旋桨是用柔性复合材料制成的，在受到水动力载荷时会产生较大变形对螺旋桨水动力性能产生影响，在引入阻尼夹层结构后结构刚度进一步下降，变形进一步增加，对螺旋桨的水动力性能的影响也进一步增加。阻尼夹层结构复合材料螺旋桨主要由三部分构成，最外层的复合材料层保持光滑的螺旋桨流体表面及抵抗海水侵蚀与空化，中间层的阻尼夹层主要由阻尼材料制成，借助其阻尼吸振能力达到减震降噪的目的，最里层的增强芯层用于提供足够的结构刚度防止螺旋桨受载变形过大而造成水动力性能急剧恶化。对夹层结构复合材料螺旋桨的水动力性能预报是夹层结构复合材料螺旋桨设计应用的重要环节。当前对这种柔性的螺旋桨性能预报大多采用计算流体力学和计算固体力学相耦合求解的方式。在这种计算方式下对固体的受载响应求解在夹层结构复合材料螺旋桨的性能预报过程中至关重要。
对固体的受载响应计算大多采用有限元法，采用有限元法求解固体受载响应中最重要的就是建立固体的有限元模型。不同于均匀材料的普通有限元模型，夹层结构复合材料螺旋桨是由夹层材料与复合材料组合而成的，其有限元建模的关键是准确建立不同材料的有限元模型并进行组合。不同于常规板梁结构，螺旋桨是一个具有复杂曲面的几何体，其夹层结构有限元建模难度更高。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种夹层结构复合材料螺旋桨有限元建模方法，首先建立螺旋桨阻尼层和增强芯层三维几何模型，然后建立螺旋桨叶背侧复合材料层实体有限元模型和螺旋桨叶面侧复合材料层实体有限元模型，接下来再建立阻尼层实体有限元模型和增强芯层实体有限元模型，最终将螺旋桨叶背侧复合材料层实体有限元模型、螺旋桨叶面侧复合材料层实体有限元模型、阻尼层实体有限元模型和增强芯层实体有限元模型导入到Mechanical Model模块中，再根据实际的相互接触关系在复合材料层与复合材料层、复合材料层与阻尼层、阻尼层与增强芯层之间建立合适的接触关系以传递求解信息。本方法采用修改过的叶剖面曲线进行阻尼层和增强芯层的几何建模，建模方法简单，阻尼层和增强芯层的形状与尺寸也易于控制。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
步骤1：建立螺旋桨阻尼层和增强芯层三维几何模型；
步骤2：将螺旋桨叶片导随边切去弦长的a％形成平面并抽取螺旋桨叶片的几何中面；将螺旋桨叶片几何中面与阻尼层的叶背侧外表面组合生成叶背侧复合材料铺层切割面，螺旋桨叶片几何中面与阻尼层的叶面侧外表面组合生成叶面侧复合材料铺层切割面；
步骤3：建立螺旋桨叶背侧复合材料层实体有限元模型和螺旋桨叶面侧复合材料层实体有限元模型；
步骤4：根据螺旋桨阻尼层三维几何模型，将叶背侧复合材料铺层切割面分割为叶背侧与叶面侧接触表面和叶背侧与阻尼层接触表面，将叶面侧复合材料铺层切割面分割为叶面侧与叶背侧接触表面和叶面侧与阻尼层接触表面；
步骤5：选择螺旋桨阻尼层和增强芯层的材料，设定材料属性，并对螺旋桨阻尼层和增强芯层进行有限元网格划分，建立阻尼层实体有限元模型和增强芯层实体有限元模型；
步骤6：将螺旋桨叶背侧复合材料层实体有限元模型、螺旋桨叶面侧复合材料层实体有限元模型、阻尼层实体有限元模型和增强芯层实体有限元模型导入到MechanicalModel模块中；
步骤7：在叶背侧与叶面侧接触表面和叶面侧与叶背侧接触表面之间添加接触对，在叶背侧与阻尼层接触表面与螺旋桨阻尼层叶背侧外表面之间添加接触对、叶面侧与阻尼层接触表面与螺旋桨阻尼层叶面侧外表面之间添加接触对，在螺旋桨阻尼层内表面与增强芯层外表面之间添加接触对；以上接触对的接触类型均为Bonded，接触算法均为MPC算法；
步骤8：通过以上过程建立夹层结构复合材料螺旋桨有限元模型。
优选地，所述a＝1。
由于采用了本发明的一种夹层结构复合材料螺旋桨有限元建模方法，具有如下有益效果：
1、采用修改过的叶剖面曲线进行阻尼层和增强芯层的几何建模，建模方法简单，阻尼层和增强芯层的形状与尺寸也易于控制。
2、本发明方法可以采用ANSYS Workbench平台进行复合材料层、阻尼层和增强芯层的有限元模型建模及组合，建模方法简单易学，也易于与ANSYS的各种组件进行交互，借助ANSYS Workbench平台即可完成对各类夹层结构复合材料螺旋桨的性能分析。
附图说明
图1为采用ANSYS Workbench建模时的数据流传递示意图。
图2为夹层结构复合材料螺旋桨模型示意图。
图3为叶背侧复合材料层模型示意图。
图4为叶面侧复合材料层模型示意图。
图5为阻尼层模型示意图。
图6为增强芯层模型示意图。
图中：1-叶背表面，2-叶背侧复合材料层，3-叶背侧复合材料铺层切割面，4-增强芯层，5-阻尼层，6-叶面侧复合材料铺层切割面，7-叶面侧复合材料层，8-叶面表面，9-叶背侧与叶面侧接触表面，10-叶背侧与阻尼层接触表面，11-叶面侧与叶背侧接触表面，12-叶面侧与阻尼层接触表面，13-阻尼层叶背侧外表面，14-阻尼层叶面侧外表面，15-阻尼层内表面，16-增强芯层外表面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
一种夹层结构复合材料螺旋桨有限元建模方法，包括以下步骤：
步骤1：建立螺旋桨阻尼层和增强芯层三维几何模型；
步骤2：将螺旋桨叶片导随边切去弦长的1％形成平面并抽取螺旋桨叶片的几何中面；将螺旋桨叶片几何中面与阻尼层的叶背侧外表面组合生成叶背侧复合材料铺层切割面，螺旋桨叶片几何中面与阻尼层的叶面侧外表面组合生成叶面侧复合材料铺层切割面；
步骤3：建立螺旋桨叶背侧复合材料层实体有限元模型和螺旋桨叶面侧复合材料层实体有限元模型；
步骤4：根据螺旋桨阻尼层三维几何模型，将叶背侧复合材料铺层切割面分割为叶背侧与叶面侧接触表面和叶背侧与阻尼层接触表面，将叶面侧复合材料铺层切割面分割为叶面侧与叶背侧接触表面和叶面侧与阻尼层接触表面；
步骤5：选择螺旋桨阻尼层和增强芯层的材料，设定材料属性，并对螺旋桨阻尼层和增强芯层进行有限元网格划分，建立阻尼层实体有限元模型和增强芯层实体有限元模型；
步骤6：将螺旋桨叶背侧复合材料层实体有限元模型、螺旋桨叶面侧复合材料层实体有限元模型、阻尼层实体有限元模型和增强芯层实体有限元模型导入到MechanicalModel模块中；
步骤7：在叶背侧与叶面侧接触表面和叶面侧与叶背侧接触表面之间添加接触对，在叶背侧与阻尼层接触表面与螺旋桨阻尼层叶背侧外表面之间添加接触对、叶面侧与阻尼层接触表面与螺旋桨阻尼层叶面侧外表面之间添加接触对，在螺旋桨阻尼层内表面与增强芯层外表面之间添加接触对；以上接触对的接触类型均为Bonded，接触算法均为MPC算法；
步骤8：通过以上过程建立夹层结构复合材料螺旋桨有限元模型。
具体实施例：
参考图1～图6，以某水下航行器所用的泵喷推进器转子螺旋桨叶片为例，采用本发明中的方法进行夹层结构复合材料螺旋桨有限元模型建立的ANSYS Workbench数据流传递过程如图1所示，具体建模过程如下。
1、阻尼层与增强芯层几何模型生成与螺旋桨叶片几何预处理。
将螺旋桨叶片叶剖面几何分别缩放0.75倍和0.5倍，导入三维建模软件中生成阻尼层5与增强芯层4的三维几何模型。将螺旋桨叶片导随边切去弦长的1％形成平面并抽取螺旋桨叶片的几何中面。将螺旋桨叶片几何中面分别与阻尼层外侧表面组合形成复合材料铺层切割面，分别生成叶背侧复合材料铺层切割面3和叶面侧复合材料铺层切割面6。将螺旋桨叶片的叶背表面1和叶面表面8导出，将铺层切割面和叶根、叶梢、导边和随边表面延伸后导出。
2、复合材料层有限元实体模型建立。
以叶背侧复合材料层2的实体有限元模型建模过程为例。在ANSYS Workbench中新添一个ACP(Pre)组件，选择复合材料为Epoxy Carbon UD(395GPa)Prepreg，将叶背表面1导入几何并在叶背表面绘制面网格，将叶背表面上与叶根、叶梢、导边和随边曲面相交的曲线进行分组标记。进入ACP模块，设定铺层厚度使用节点厚度，新建纤维叠层，铺层角度选择为[-45°/45°/0°/45°/-45°]。将第1步中导出的叶背侧复合材料铺层切割面3以及叶根、叶梢、导边和随边曲面导入ACP建立虚拟几何。为铺层指定参考方向，选择全局坐标系下正z轴在每一个单元上的投影方向为铺层参考方向。使用叶背侧复合材料铺层切割面3建立切割选择规则，选择分析层切割方法并打开切割锥度选项。使用定义好的复合材料纤维叠层在叶背表面1的面网格上进行复合材料铺层，使用切割选择规则进行铺层单元选择。新建复合材料实体模型，选择拉伸单元为所有单元，拉伸方式为Monolithic，并为该实体模型使用叶根、叶梢、导边和随边曲面建立拉伸向导，使用叶背侧复合材料铺层切割面3建立光顺几何向导。更新ACP模块即可建立叶背侧复合材料层2的实体有限元模型。将阻尼层5的几何模型导入ACP，根据阻尼层5的几何模型，将叶背侧复合材料层实体有限元模型的单元分为两类，内表面与叶面侧复合材料层接触的单元和内表面与阻尼层外表面接触的单元，即将有限元实体单元模型上的叶背侧复合材料铺层切割面3分割为叶背侧与叶面侧接触表面9和叶背侧与阻尼层接触表面10。叶面侧复合材料层7的实体有限元模型的建模方法与此相同，使用叶面侧复合材料铺层切割面6为切割选择规则中的几何，并最终将该表面分割为叶面侧与叶背侧接触表面11和叶面侧与阻尼层接触表面12。
3、阻尼层有限元实体模型建立。
在ANSYS Workbench中新添Mechanical Model组件，新建材料氯丁橡胶，设定材料密度1230kg/m3，杨氏模量36.7928MPa，泊松比0.48。将阻尼层5的几何模型导入MechanicalModel中并为其分配材料并划分网格。
4、增强芯层有限元实体模型建立。
在ANSYS Workbench中新添Mechanical Model组件，选择材料为结构钢，将增强芯层4的几何模型导入Mechanical Model中并为其分配材料并划分网格。
5、夹层复合材料螺旋桨有限元模型建立。
在ANSYS Workbench中新添Mechanical Model组件，将叶背侧复合材料层2的实体有限元模型、叶面侧复合材料层7的实体有限元模型、阻尼层5的有限元模型和增强芯层4的有限元模型导入Mechanical Model中。在叶背侧与叶面侧接触表面9和叶面侧与叶背侧接触表面11之间添加接触对以传递求解信息，选择接触类型为Bonded，接触算法为MPC算法。同样的，为叶背侧与阻尼层接触表面10与阻尼层叶背侧外表面13之间、叶面侧与阻尼层接触表面12与阻尼层叶面侧外表面14之间添加接触对，接触类型为Bonded，接触算法为MPC算法。在阻尼层内表面15与增强芯层外表面16之间添加接触对，选择接触类型为Bonded，接触算法为MPC算法。
通过上述过程即可建立图2所示的夹层结构复合材料螺旋桨的有限元模型，添加适当的约束与载荷后即可进行受载响应计算。在用本发明的方法构建的夹层结构复合材料螺旋桨有限元模型中阻尼层和增强芯层的大小可以通过改变缩放比例快速改变，并且借助ANSYS Workbench强大的集成功能可以方便地对夹层结构复合材料螺旋桨进行性能预报和分析。

Claims (2)

1.一种夹层结构复合材料螺旋桨有限元建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立螺旋桨阻尼层和增强芯层三维几何模型；
步骤2：将螺旋桨叶片导随边切去弦长的a％形成平面并抽取螺旋桨叶片的几何中面；将螺旋桨叶片几何中面与阻尼层的叶背侧外表面组合生成叶背侧复合材料铺层切割面，螺旋桨叶片几何中面与阻尼层的叶面侧外表面组合生成叶面侧复合材料铺层切割面；
步骤3：建立螺旋桨叶背侧复合材料层实体有限元模型和螺旋桨叶面侧复合材料层实体有限元模型；
在ANSYS Workbench中新添一个ACP组件，选择复合材料，将叶背表面导入几何并在叶背表面绘制面网格，将叶背表面上与叶根、叶梢、导边和随边曲面相交的曲线进行分组标记；进入ACP模块，设定铺层厚度使用节点厚度，新建纤维叠层，铺层角度选择为[-45°/45°/0°/45°/-45°]；将步骤2中导出的叶背侧复合材料铺层切割面以及叶根、叶梢、导边和随边曲面导入ACP建立虚拟几何；为铺层指定参考方向，选择全局坐标系下正z轴在每一个单元上的投影方向为铺层参考方向；使用叶背侧复合材料铺层切割面建立切割选择规则，选择分析层切割方法并打开切割锥度选项；使用定义好的复合材料纤维叠层在叶背表面的面网格上进行复合材料铺层，使用切割选择规则进行铺层单元选择；新建复合材料实体模型，选择拉伸单元为所有单元，拉伸方式为Monolithic，并为该实体模型使用叶根、叶梢、导边和随边曲面建立拉伸向导，使用叶背侧复合材料铺层切割面建立光顺几何向导；更新ACP模块即可建立叶背侧复合材料层的实体有限元模型；将阻尼层的几何模型导入ACP；
步骤4：根据螺旋桨阻尼层三维几何模型，将叶背侧复合材料铺层切割面分割为叶背侧与叶面侧接触表面和叶背侧与阻尼层接触表面，将叶面侧复合材料铺层切割面分割为叶面侧与叶背侧接触表面和叶面侧与阻尼层接触表面；
步骤5：选择螺旋桨阻尼层和增强芯层的材料，设定材料属性，并对螺旋桨阻尼层和增强芯层进行有限元网格划分，建立阻尼层实体有限元模型和增强芯层实体有限元模型；
步骤6：将螺旋桨叶背侧复合材料层实体有限元模型、螺旋桨叶面侧复合材料层实体有限元模型、阻尼层实体有限元模型和增强芯层实体有限元模型导入到Mechanical Model模块中；
步骤7：在叶背侧与叶面侧接触表面和叶面侧与叶背侧接触表面之间添加接触对，在叶背侧与阻尼层接触表面与螺旋桨阻尼层叶背侧外表面之间添加接触对、叶面侧与阻尼层接触表面与螺旋桨阻尼层叶面侧外表面之间添加接触对，在螺旋桨阻尼层内表面与增强芯层外表面之间添加接触对；以上接触对的接触类型均为Bonded，接触算法均为MPC算法；
步骤8：通过以上过程建立夹层结构复合材料螺旋桨有限元模型。
2.根据权利要求1所述的一种夹层结构复合材料螺旋桨有限元建模方法，其特征在于，所述a＝1。
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