CN112765858A - 一种考虑间隙影响的复合材料导管螺旋桨优化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种考虑间隙影响的复合材料导管螺旋桨优化设计方法，首先采用一种间隙大小的复合材料导管螺旋桨几何，合理的选择桨叶的结构铺层参数，并进行整合，采用单向耦合的方式将水动力结果加载到桨叶上，以满足变形小，失效少，模态频率高的设计条件，得到一种最优的铺层方式。然后用得到的最优铺层方式对复合材料桨叶进行铺设，采取不同间隙大小桨叶模型，对复合材料导管螺旋桨及同模型金属材料导管螺旋桨进行不同工况下的双向流固耦合计算和对比，将一系列计算结果进行整合，以节能和减振为目标，对复合材料导管螺旋桨进行优化设计。

Description

一种考虑间隙影响的复合材料导管螺旋桨优化设计方法
技术领域
本发明属于复合材料螺旋桨优化设计领域，具体涉及一种考虑间隙影响的复合材料导管螺旋桨优化设计方法。
背景技术
随着复合材料的飞速发展，先进材料的使用在海洋领域日益渐增。相较于金属材料，复合材料具有质量轻、比强度高、比刚度高和几何结构可设计性等优势。轻质复合材料的使用可以使桨叶厚度及几何设计更加灵活来提高螺旋桨整体水动力性能。另外，复合材料的使用可以降低叶片腐蚀和空泡腐蚀，提高疲劳性能，降低噪声，提高材料阻尼，降低制造和维护成本。碳纤维增强复合材料具有各向异性性能，其与不同铺层方式和铺层角度相结合对桨叶进行铺设，能够提高复合材料螺旋桨的水动力和结构性能。
导管螺旋桨是一种应用广泛的典型海洋推进器通常用来提高推进效率，并且大量在重载航行器上使用。与传统开放式螺旋桨相比，导管螺旋桨不仅包括桨叶和桨毂，而且由一个导管围绕桨叶组成，它起到了保护叶片、增加推力、减少空泡和拓展运行环境等作用。
但是，导管的加入带来了桨叶叶稍和导管内壁之间的间隙，从而导致了叶稍间隙处的复杂流动。导管叶稍间隙问题的影响因素主要包括间隙大小、叶稍形状、桨叶表面粗糙度和运行环境。这些影响因素中，间隙大小是在保证桨叶几何结构不变的前提下能够进行优化设计的常见因素，对螺旋桨的性能有着至关重要的影响。
因此将间隙影响加入到复合材料导管螺旋桨的优化设计中，能够有效提高复合材料导管螺旋桨的综合性能，提高主机的使用效率，并达到节能和延长使用寿命的效果。
发明内容
本发明解决的技术问题是：本发明提出一种对复合材料导管螺旋桨进行整体性能优化的设计方法，将间隙影响考虑在整体优化过程中，克服了传统复合材料螺旋桨的优化方法在复合材料导管螺旋桨上应用的缺陷。
本发明的技术方案是：一种考虑间隙影响的复合材料导管螺旋桨优化设计方法，包括以下步骤：
步骤1：选取复合材料导管螺旋桨桨叶和导管的几何参数，确定间隙大小；
步骤2：使用CAD建模软件对复合材料导管螺旋桨几何外形进行建模；
步骤3：使用ICEM网格划分软件对复合材料导管螺旋桨创建流体计算域并进行网格划分；
步骤4：采用基于RANS方程的计算流体力学软件CFX，进行复合材料导管螺旋桨几何的设计工况下的定常水动力性能计算；
步骤5：在ACP前处理软件中定义纤维增强复合材料的材料属性、铺层角度、叠层顺序，对螺旋桨桨叶进行铺层，采用不同参数对螺旋桨桨叶进行铺层后生成n个含有复合材料和铺层性能的复合材料螺旋桨桨叶网格文件；
步骤6：将步骤5中n个桨叶文件分别导入有限元求解器Workbench－Mechanical中，定义固定约束条件和流固耦合面；
步骤7：将步骤4中得到的定常水动力压力分布分别加载到步骤6中n个文件中，并进行有限元计算，得到桨叶最大变形量dmax，采用蔡吴失效准则得到桨叶最大失效值Fmax；
步骤8：将步骤5中n个桨叶文件导入模态求解器Workbench－Modal中，定义固定约束条件，对桨叶进行模态计算，得到桨叶一阶模态频率f1st；
步骤9：综合步骤7和步骤8中得到的n个铺层方式下桨叶的最大变形量dmax、最大失效值Fmax和一阶模态频率f1st，采用如下公式对其进行综合评价：
Figure BDA0002913226040000021
步骤10：将得到的Gn最大值所对应的一种铺层方式作为最优桨叶铺层方式，将其对应的由步骤5中得到的含有复合材料和铺层性能的复合材料螺旋桨桨叶网格文件应用到下列步骤中；
步骤11：选取j种复合材料导管螺旋桨间隙大小，并分别对其几何外形进行CAD建模，间隙的改变通过扩大或缩小导管直径实现；
步骤12：使用ICEM网格划分软件对j种不同间隙大小复合材料导管螺旋桨模型创建流体计算域并进行网格划分；
步骤13：采用基于RANS方程的计算流体力学软件CFX，对j种不同间隙大小复合材料导管螺旋桨模型的i种不同工况下的定常水动力性能进行计算；
步骤14：将步骤10中得到的最优桨叶铺层文件导入有限元求解器Workbench－Mechanical中，定义固定约束条件、流固耦合面、求解总时间和时间步；
步骤15：建立复合材料导管螺旋桨流双向流固耦合方程，在CFX中定义流固耦合面、求解总时间和时间步，将步骤13中得到的定常水动力结果作为计算初始条件，定义流固耦合顺序，进行i种不同工况下的复合材料导管螺旋桨双向流固耦合水动力性能进行计算，提取流固耦合计算结果，包括计算效率ηcomposite、桨叶最大变形D、不同桨叶半径处螺距角φcomposite；
步骤16：使用同种流固耦合计算方法，对j种不同间隙下金属导管螺旋桨进行i种不同工况下的水动力性能进行计算，提取流固耦合计算结果，包括计算效率ηmetal、不同桨叶半径处螺距角φmetal；
步骤17：对比步骤15和步骤16中得到的复合材料导管螺旋桨和金属材料导管螺旋桨的结果，分别对j种不同间隙和i种不同工况下计算效率和螺距角进行求差得到分别的变化值Δη和Δφ，如下式所示：
Δη＝ηcomposite-ηmetal
Δφ＝φcomposite-φmetal
步骤18：综合步骤18中提取的结果，采用如下公式对复合材料导管螺旋桨的综合性能进行综合评价：
Figure BDA0002913226040000031
其中i，j分别代表了不同工况和不同导管间隙，d是复合材料桨叶最大变形，r是导管螺旋桨桨叶半径。Δη代表了能量变化，d和Δφ代表了桨叶的失效风险和振动幅度。
步骤19：选取步骤18中最大G值对应的导管间隙，从而得到综合性能最优的复合材料导管螺旋桨几何和结构模型。
发明效果
本发明的技术效果在于：本发明提出一种考虑间隙影响的复合材料导管螺旋桨优化设计方法，相比现有复合材料螺旋桨的优化方法，具有以下优势：
(1)采用分步优化的方式，首先对复合材料叶片的材料选择及铺层方式进行优化，再使用优化得到的最优结构对不同工况和不同导管间隙下的复合材料导管螺旋桨进行综合性能评价，采用单向流固耦合和双向流固耦合结合的计算方法，在提高模型精度的同时，又提高了计算效率，节约计算成本。
(2)针对导管螺旋桨的特殊几何特性，将间隙影响考虑到优化过程中，并将模态频率和复合材料失效特性加入优化过程中，对复合材料导管螺旋桨的性能评价范围更加广阔，使其综合性能显著提高。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图。
图2为复合材料桨叶最大变形量d结果示意图
图3为复合材料和金属材料导管螺旋桨效率η结果示意图
图4为桨叶不同半径处螺距变化值Δφ结果示意图
图5为进行综合评价后的G值结果示意图
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参见图1-图5，考虑间隙影响的复合材料导管螺旋桨的优化设计方法是指，首先采用一种间隙大小的复合材料导管螺旋桨几何，合理的选择桨叶的结构铺层参数，并进行整合，采用单向耦合的方式将水动力结果加载到桨叶上，以满足变形小，失效少，模态频率高的设计条件，得到一种最优的铺层方式。然后用得到的最优铺层方式对复合材料桨叶进行铺设，采取不同间隙大小桨叶模型，对复合材料导管螺旋桨及同模型金属材料导管螺旋桨进行不同工况下的双向流固耦合计算和对比，将一系列计算结果进行整合，以节能和减振为目标，对复合材料导管螺旋桨进行优化设计。
本发明提出的一种考虑间隙影响的复合材料导管螺旋桨优化设计方法具体实现步骤如下：
步骤1：选取复合材料导管螺旋桨桨叶和导管的几何参数，确定一种间隙大小；
步骤2：使用CAD建模软件对复合材料导管螺旋桨几何外形进行建模；
步骤3：使用ICEM网格划分软件对复合材料导管螺旋桨创建流体计算域并进行网格划分；
步骤4：采用基于RANS方程的计算流体力学软件CFX，进行复合材料导管螺旋桨几何的设计工况下的定常水动力性能计算；
步骤5：在ACP前处理软件中定义纤维增强复合材料的材料属性、铺层角度、叠层顺序，对螺旋桨桨叶进行铺层，采用不同参数对螺旋桨桨叶进行铺层后生成n个含有复合材料和铺层性能的复合材料螺旋桨桨叶网格文件；
步骤6：将步骤5中n个桨叶文件分别导入有限元求解器Workbench－Mechanical中，定义固定约束条件和流固耦合面；
步骤7：将步骤4中得到的定常水动力压力分布分别加载到步骤6中n个文件中，并进行有限元计算，得到桨叶最大变形量dmax，采用蔡吴失效准则得到桨叶最大失效值Fmax；
步骤8：将步骤5中n个桨叶文件导入模态求解器Workbench－Modal中，定义固定约束条件，对桨叶进行模态计算，得到桨叶一阶模态频率f1st；
步骤9：综合步骤7和步骤8中得到的n个铺层方式下桨叶的最大变形量dmax、最大失效值Fmax和一阶模态频率f1st，采用如下公式对其进行综合评价：
Figure BDA0002913226040000051
步骤10：将得到的Gn最大值所对应的一种铺层方式作为最优桨叶铺层方式，将其对应的由步骤5中得到的含有复合材料和铺层性能的复合材料螺旋桨桨叶网格文件应用到下列步骤中；
步骤11：选取j种复合材料导管螺旋桨间隙大小，并分别对其几何外形进行CAD建模，间隙的改变通过扩大或缩小导管直径实现；
步骤12：使用ICEM网格划分软件对j种不同间隙大小复合材料导管螺旋桨模型创建流体计算域并进行网格划分；
步骤13：采用基于RANS方程的计算流体力学软件CFX，对j种不同间隙大小复合材料导管螺旋桨模型的i种不同工况下的定常水动力性能进行计算；
步骤14：将步骤10中得到的最优桨叶铺层文件导入有限元求解器Workbench－Mechanical中，定义固定约束条件、流固耦合面、求解总时间和时间步；
步骤15：建立复合材料导管螺旋桨流双向流固耦合方程，在CFX中定义流固耦合面、求解总时间和时间步，将步骤13中得到的定常水动力结果作为计算初始条件，定义流固耦合顺序，进行i种不同工况下的复合材料导管螺旋桨双向流固耦合水动力性能进行计算，提取流固耦合计算结果，包括计算效率ηcomposite、桨叶最大变形D、不同桨叶半径处螺距角φcomposite；
步骤16：使用同种流固耦合计算方法，对j种不同间隙下金属导管螺旋桨进行i种不同工况下的水动力性能进行计算，提取流固耦合计算结果，包括计算效率ηmetal、不同桨叶半径处螺距角φmetal；
步骤17：对比步骤15和步骤16中得到的复合材料导管螺旋桨和金属材料导管螺旋桨的结果，分别对j种不同间隙和i种不同工况下计算效率和螺距角进行求差得到分别的变化值Δη和Δφ，如下式所示：
Δη＝ηcomposite-ηmetal
Δφ＝φcomposite-φmetal
步骤18：综合步骤18中提取的结果，采用如下公式对复合材料导管螺旋桨的综合性能进行综合评价：
Figure BDA0002913226040000061
其中i，j分别代表了不同工况和不同导管间隙，d是复合材料桨叶最大变形，r是导管螺旋桨桨叶半径。Δη代表了能量变化，d和Δφ代表了桨叶的失效风险和振动幅度。
步骤19：选取步骤18中最大G值对应的导管间隙，从而得到综合性能最优的复合材料导管螺旋桨几何和结构模型。
下面结合实例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。
1、选取复合材料导管螺旋桨桨叶和导管的几何参数，采用Ka4-70+19A螺旋桨模型，选取间隙大小为1mm；
2、步骤2：使用CAD建模软件对复合材料导管螺旋桨几何外形进行建模；
3、使用ICEM网格划分软件对复合材料导管螺旋桨创建流体计算域并进行网格划分；
4、采用基于RANS方程的计算流体力学软件CFX，进行复合材料导管螺旋桨几何的设计工况下的定常水动力性能计算；
5、在ACP前处理软件中定义纤维增强复合材料的材料属性、铺层角度、叠层顺序，对螺旋桨桨叶进行铺层，采用不同参数对螺旋桨桨叶进行铺层后生成5个含有复合材料和铺层性能的复合材料螺旋桨桨叶网格文件，分别为[02/±30]s、[04/±30]s、[04/±45]s、[04/±60]s、[04/±90]s；
6、将步骤5中5个桨叶文件分别导入有限元求解器Workbench－Mechanical中，桨叶叶根处定义固定约束条件，桨叶表面定义流固耦合面；
7、将步骤4中得到的定常水动力压力分布分别加载到步骤6中5个文件中，并进行有限元计算，得到对应桨叶最大变形量dmax，采用蔡吴失效准则得到桨叶最大失效值Fmax，如表1所示；
表1
Figure BDA0002913226040000071
8、将步骤5中5个桨叶文件导入模态求解器Workbench－Modal中，桨叶叶根处定义固定约束条件，对桨叶进行模态计算，得到桨叶一阶模态频率f1st，如表2所示；
表2
Figure BDA0002913226040000072
9、综合步骤7和步骤8中得到的5个铺层方式下桨叶的最大变形量dmax、最大失效值Fmax和一阶模态频率f1st，采用如下公式对其进行综合评价：
Figure BDA0002913226040000073
计算得到的计算结果如表3所示：
表3
Figure BDA0002913226040000081
10、将得到的Gn最大值所对应的铺层方式[04/±30]s作为最优桨叶铺层方式，将其对应的由步骤5中得到的含有复合材料和铺层性能的复合材料螺旋桨桨叶网格文件应用到下列步骤中；
11、选取5种复合材料导管螺旋桨间隙大小(1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm)，并分别对其几何外形进行CAD建模，间隙的改变通过扩大或缩小导管直径实现；
12、使用ICEM网格划分软件对5种不同间隙大小复合材料导管螺旋桨模型创建流体计算域并进行网格划分；
13、采用基于RANS方程的计算流体力学软件CFX，对5种不同间隙大小复合材料导管螺旋桨模型的5种不同工况(0.4J、0.5J、0.6J、0.7J、0.8J)下的定常水动力性能进行计算；
14、将步骤10中得到的[04/±30]s桨叶铺层文件导入有限元求解器Workbench－Mechanical中，桨叶叶根处定义固定约束条件、桨叶表面定义流固耦合面(桨叶的叶面、叶背和叶稍三个表面)、求解总时间2s和时间步0.02s；
15、建立复合材料导管螺旋桨流双向流固耦合方程，在CFX中定义流固耦合面(分别对应步骤14中三个表面)、求解总时间2s和时间步0.02s，将步骤13中得到的定常水动力结果作为计算初始条件，定义流固耦合顺序，进行5种不同工况下的复合材料导管螺旋桨双向流固耦合水动力性能进行计算，提取流固耦合计算结果，包括计算效率ηcomposite、桨叶最大变形d、不同桨叶半径处螺距角φcomposite；
16、使用同种流固耦合计算方法，对5种不同间隙下金属导管螺旋桨进行5种不同工况下的水动力性能进行计算，提取流固耦合计算结果，包括计算效率ηmetal、不同桨叶半径处螺距角φmetal；
17、对比步骤15和步骤16中得到的复合材料导管螺旋桨和金属材料导管螺旋桨的结果，分别对5种不同间隙和5种不同工况下计算效率和螺距角进行求差得到分别的变化值Δη和Δφ，如下式所示：
Δη＝ηcomposite-ηmetal
Δφ＝φcomposite-φmetal
18、综合步骤18中提取的结果，采用如下公式对复合材料导管螺旋桨的综合性能进行综合评价：
Figure BDA0002913226040000091
其中i，j分别代表了不同工况和不同导管间隙，d是复合材料桨叶最大变形，r是导管螺旋桨桨叶半径。Δη代表了能量变化，d和Δφ代表了桨叶的失效风险和振动幅度。
经数值计算得到的复合材料桨叶最大变形量d，复合材料和金属材料导管螺旋桨效率η，以及桨叶不同半径处螺距变化值Δφ，分别如图2，图3和图4所示；
步骤19：步骤18中进行综合评价后的G值如图5所示，其中最大G值对应的导管间隙为1mm，从而得到综合性能最优的复合材料导管螺旋桨几何和结构模型。
上述实施例子的详细步骤与结果表明，本发明提出的一种考虑间隙影响的复合材料导管螺旋桨优化设计方法，利用了分步优化方法，首先对复合材料导管螺旋桨桨叶铺层方式进行优化，然后结合了导管螺旋桨的几何特性将间隙考虑在优化过程中，获得了最优的设计方案。此发明针对复合材料导管螺旋桨的特点，提高了设计优化的精度与效率，对复合材料导管螺旋就的综合性能进行了优化。
以上所述的具体实施方式的描述，对发明的目的、技术方案以及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，用于解释本发明，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、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种考虑间隙影响的复合材料导管螺旋桨优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：选取复合材料导管螺旋桨桨叶和导管的几何参数，确定间隙大小；
步骤2：使用CAD建模软件对复合材料导管螺旋桨几何外形进行建模；
步骤3：使用ICEM网格划分软件对复合材料导管螺旋桨创建流体计算域并进行网格划分；
步骤4：采用基于RANS方程的计算流体力学软件CFX，进行复合材料导管螺旋桨几何的设计工况下的定常水动力性能计算；
步骤5：在ACP前处理软件中定义纤维增强复合材料的材料属性、铺层角度、叠层顺序，对螺旋桨桨叶进行铺层，采用不同参数对螺旋桨桨叶进行铺层后生成n个含有复合材料和铺层性能的复合材料螺旋桨桨叶网格文件；
步骤6：将步骤5中n个桨叶文件分别导入有限元求解器Workbench－Mechanical中，定义固定约束条件和流固耦合面；
步骤7：将步骤4中得到的定常水动力压力分布分别加载到步骤6中n个文件中，并进行有限元计算，得到桨叶最大变形量dmax，采用蔡吴失效准则得到桨叶最大失效值Fmax；
步骤8：将步骤5中n个桨叶文件导入模态求解器Workbench－Modal中，定义固定约束条件，对桨叶进行模态计算，得到桨叶一阶模态频率f1st；
步骤9：综合步骤7和步骤8中得到的n个铺层方式下桨叶的最大变形量dmax、最大失效值Fmax和一阶模态频率f1st，采用如下公式对其进行综合评价：
Figure FDA0002913226030000011
步骤10：将得到的Gn最大值所对应的一种铺层方式作为最优桨叶铺层方式，将其对应的由步骤5中得到的含有复合材料和铺层性能的复合材料螺旋桨桨叶网格文件应用到下列步骤中；
步骤11：选取j种复合材料导管螺旋桨间隙大小，并分别对其几何外形进行CAD建模，间隙的改变通过扩大或缩小导管直径实现；
步骤12：使用ICEM网格划分软件对j种不同间隙大小复合材料导管螺旋桨模型创建流体计算域并进行网格划分；
步骤13：采用基于RANS方程的计算流体力学软件CFX，对j种不同间隙大小复合材料导管螺旋桨模型的i种不同工况下的定常水动力性能进行计算；
步骤14：将步骤10中得到的最优桨叶铺层文件导入有限元求解器Workbench－Mechanical中，定义固定约束条件、流固耦合面、求解总时间和时间步；
步骤15：建立复合材料导管螺旋桨流双向流固耦合方程，在CFX中定义流固耦合面、求解总时间和时间步，将步骤13中得到的定常水动力结果作为计算初始条件，定义流固耦合顺序，进行i种不同工况下的复合材料导管螺旋桨双向流固耦合水动力性能进行计算，提取流固耦合计算结果，包括计算效率ηcomposite、桨叶最大变形D、不同桨叶半径处螺距角φcomposite；
步骤16：使用同种流固耦合计算方法，对j种不同间隙下金属导管螺旋桨进行i种不同工况下的水动力性能进行计算，提取流固耦合计算结果，包括计算效率ηmetal、不同桨叶半径处螺距角φmetal；
步骤17：对比步骤15和步骤16中得到的复合材料导管螺旋桨和金属材料导管螺旋桨的结果，分别对j种不同间隙和i种不同工况下计算效率和螺距角进行求差得到分别的变化值Δη和Δφ，如下式所示：
Δη＝ηcomposite-ηmetal
Δφ＝φcomposite-φmetal
步骤18：综合步骤18中提取的结果，采用如下公式对复合材料导管螺旋桨的综合性能进行综合评价：
Figure FDA0002913226030000021
其中i，j分别代表了不同工况和不同导管间隙，d是复合材料桨叶最大变形，r是导管螺旋桨桨叶半径。Δη代表了能量变化，d和Δφ代表了桨叶的失效风险和振动幅度。
步骤19：选取步骤18中最大G值对应的导管间隙，从而得到综合性能最优的复合材料导管螺旋桨几何和结构模型。
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