CN116341334A - 一种低噪声预变形复合材料螺旋桨的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及船舶复合材料螺旋桨实船应用技术领域，具体为一种低噪声预变形复合材料螺旋桨的实现方法。本发明包括虚拟模拟预装配螺旋桨的生成及分析方法、缩比模型验证方法及实物制造方法、实物制造测试分析方法。本发明确保最终螺旋桨满足各项性能指标的概率，降低了制造风险和开发投入，提高了效率。

Description

一种低噪声预变形复合材料螺旋桨的实现方法

技术领域

本发明涉及船舶复合材料螺旋桨实船应用技术领域，具体为一种低噪声预变形复合材料螺旋桨的实现方法。

背景技术

螺旋桨作为船舶推进的能量转换装置，同时也是振动和噪声的主要源头，目前船舶推进器大多采用锰-镍-铝-铜(MAB)或镍-铝-青铜(NAB)合金数控制造，虽然精度高、稳定性好，但作为刚性旋转叶片，其对流场的耦合适应性不足、金属材料的阻尼性能较差、降噪措施仅限于几何型值优化等方面的局限性，限制了船舶推进器的快速发展。近年来，国际上复合材料螺旋桨以其材料可设计优势成为改善船舶推进器性能的新型研究对象，从复合材料结构的基本属性来看，复合材料螺旋桨的优势主要体现为：减重量，降负载；易成型，便批量；非均质，可设计；高阻尼，减振动；改频率，避共振；抗冲击，增寿命；低磁性，促隐蔽。其中，复合材料螺旋桨以其弯扭耦合变形自适应于非均匀伴流场而改善非定常水动力脉动特性，同时高阻尼特性削弱振动源，在船舶减振降噪方面潜力巨大。

复合材料螺旋桨是一种采用增强纤维复合材料的螺旋桨推进装置，可以有多种构型，可以是通铺碳/玻璃纤维，也可以是复合材料蒙皮包覆高阻尼芯材，还可以是高阻尼材料蒙皮包覆复合材料芯材，等等。相比于传统金属螺旋桨，复合材料螺旋桨具有明显的自适应水弹性特性，为合理利用这一特性，可通过预变形设计保证不损失快速性，通过低噪声设计有效降低螺旋桨的压力脉动和振动噪声。

目前国内针对复合材料螺旋桨的研究集中于小尺度模型桨，多以数值计算、理论研究为主，缺乏优化方法、制造加工和陆上检测的全过程研制经验，尤其是低噪声预变形复合材料螺旋桨的研制，工程应用领域更是空白。因此，本专利提出一种以减振降噪为目标的预变形复合材料螺旋桨优化、制造和检测的实现方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于一种低噪声预变形复合材料螺旋桨的实现方法。本发明包括虚拟模拟预装配螺旋桨的生成及分析方法、缩比模型验证方法及实物制造方法、实物制造测试分析方法。本发明确保最终螺旋桨满足各项性能指标的概率，降低了制造风险和开发投入，提高了效率。

为实现上述目的，本发明提出一种低噪声预变形复合材料螺旋桨的实现方法，包括3个阶段，具体流程为：

阶段一，虚拟模拟预装配螺旋桨的生成及分析方法

首先参照金属桨型值确定复合材料螺旋桨基准型值，进行整体构型优化，确定复合材料桨叶、金属桨毂、金属插键及螺栓等连接和定位零件构成，优化金属插键、毂端封盖板、螺栓等，并进行虚拟装配。然后，根据自航设计点计算等推力工况，评估桨叶承载和初步材料选型体系，对纤维材料进行多角度扫略计算，评估其各向异性变形特性和不同选材的刚度水平。然后，基于船后非均匀伴流场，分析单桨叶水动力周期性变化特性，采用瞬态流固耦合算法和减振降噪优化算法，综合考虑水动力、噪声、空泡、强度、振动等因素，以降低非定常轴承力为目标，开展水动力和结构性能的迭代细化优化工作，形成复合材料螺旋桨材料选型、铺层角度、各材料几何构型等技术设计方案。最后，形成复合材料螺旋桨的设计方案，具体包括：水动力数值仿真计算技术方案、噪声数值仿真计算技术方案、空泡数值仿真计算技术方案、强度数值仿真校核技术方案、高阻尼优化方案、预变形优化方法。

阶段二，缩比模型验证方法及实物制造方法

首先根据复合材料螺旋桨优化方案进行几何、材料、工况等的缩比换算，开展虚拟优化和制备工作，加工缩比模型，用于开展水槽中船后复合材料螺旋桨模型水动力和噪声试验验证。然后，在模型试验验证的基础上，对低噪声预变形复合材料螺旋桨优化方法进行修正，并微调优化。最后，开展低噪声预变形复合材料螺旋桨加工工艺设计和制造，单叶片制造时采用阴阳模具热压罐成型工艺进行固化成型，桨毂和金属插键采用五轴数控加工成型，所有桨叶和桨毂进行装配。

阶段三，实物制造测试分析方法

首先，开展精度检验，评估低噪声预变形复合材料螺旋桨成型精度、内部损伤、静动平衡等加工和装配质量。然后，开展刚度和强度检测，定制相关试验工装，测量低噪声预变形复合材料螺旋桨的静态加载变形、强度极限等性能。最后，开展振动特性检测，定制相关试验工装，测量低噪声预变形复合材料螺旋桨的干湿模态、振动响应，与对标金属桨相关数据进行对比分析。

详细地，在阶段一材料选型时，桨毂和金属插键选用对标金属桨用金属材料，一般为镍铝青铜合金；桨叶通铺碳/玻璃纤维，或复合材料蒙皮包覆高阻尼芯材，或高阻尼材料蒙皮包覆复合材料芯材。

详细地，在阶段一桨毂优化设计时，桨毂外部尺寸与对标金属螺旋桨桨毂保持一致。

详细地，在阶段一方案设计中的水动力数值仿真计算时，首先开展基于势流理论的稳态流固耦合面元法计算，然后开展基于粘流理论的瞬态流固耦合计算。

详细地，在阶段一方案设计中的噪声数值仿真计算技术方案时，首先开展近场自噪声数值仿真计算，然后开展远场辐射噪声数值仿真计算。

详细地，在阶段一方案设计中的空泡数值仿真计算技术方案时，通过标模试验验证数值计算方法的准确性，以此为基础开展复合材料螺旋桨在特定工况下的空泡特性计算，并分析其空泡作用机理。

详细地，在阶段一方案设计中的强度数值仿真校核时，采用基于结构有限元数值仿真计算的复合材料螺旋桨强度校核及损伤失效评估方法开展复合材料螺旋桨强度校核。

详细地，在阶段一方案设计中的预变形设计时，采用多次迭代的方式保证预变形精度，最终确定复材桨的型值参数、复合材料或内部芯材的结构形式和连接方式，完成复材桨的设计工作。

详细地，在阶段二加工制造中，须对缩比模型开展水动力试验、空泡试验和噪声试验，验证设计方法后再行微调设计方案，才能进行实船复合材料螺旋桨的制造。

详细地，在阶段二加工制造中，根据复合材料螺旋桨尺寸和选材，可采用RTM成型工艺，或预浸料模压工艺，但须根据ISO 484S级等规范满足S级标准。

详细地，在阶段二加工制造中，考虑桨毂的锥度，须先进行虚拟装配，以保证装配可行性和精度。

详细地，在阶段三陆上检测中，成型精度和静动平衡检测按照常规金属桨的检测方式。

详细地，在阶段三陆上检测中，刚度检测时的静载荷需与航行工况时的等推力匹配，据此评估预变形桨承载后变形至金属桨形状的能力。

详细地，在阶段三陆上检测中，振动特性检测时的动载荷需与航行工况时的水动力非定常力匹配，据此评估复合材料螺旋桨的振动响应。

本发明具有以下有益效果：指导全流程的低噪声预变形复合材料螺旋桨的实现，能够应用于工程实际。通过步骤1至步骤9的执行，可以确保预装配后的螺旋桨在不满足要求的情况下及时被发现，优化后再重新进入模型或实物测试，从而确保最终螺旋桨满足各项性能指标的概率，降低了制造风险和开发投入，提高了效率。采用本发明实现的螺旋桨其推进性能与同尺寸金属螺旋桨相当，而重量大幅减轻，在自噪声和辐射噪声等方面具有明显的降噪优势。按照本发明所设计出的低噪声预变形复合材料螺旋桨，通过预变形设计保证复合材料螺旋桨的敞水效率在设计工况与金属螺旋桨相当，而在非设计工况优于金属桨；通过低噪声设计保证降低螺旋桨低频激振力和中高频振动响应，进而降低螺旋桨的辐射噪声。按照本发明所设计出的低噪声预变形复合材料螺旋桨，在水动力性能预报、成型精密性等方面可满足高精度要求，是实现低噪声预变形复合材料螺旋桨设计目标的关键。

附图说明

图1为低噪声预变形复合材料螺旋桨实现方法。

具体实施方式：

以下结合具体实施例对本发明作详细说明。

如图1所示，为一种低噪声预变形复合材料螺旋桨的实现方法，具体实施步骤为：

步骤1，复合材料螺旋桨几何外形与整体构型的虚拟模拟预装配。参照对标金属桨型值，通过各半径处的弦长、螺距、纵倾、侧斜、厚度、拱度、剖面型值生成桨叶几何，根据桨毂尺寸生成桨毂几何，根据叶根处的螺距生成螺旋型金属插键，对桨叶和桨毂几何进行预装配，设计螺栓进行紧固。

步骤2，对虚拟模拟预装配的螺旋桨敞水性能进行分析。采用基于面元法的螺旋桨敞水性能计算方法，分析螺旋桨在各进速系数下的敞水性能，评估桨叶的受力水平。先对刚性桨的力学分析，由此预判需要采用多大弹性模量的复合材料，故步骤2最好放置在步骤3前面。

步骤3，确定螺旋桨材料选型。根据对标金属桨的自航设计点，计算船后伴流场并估算等推力工况，据此计算单桨叶的压强分布，针对拟采用复合材料(增强纤维和树脂基体)的材料工程常数，对桨叶进行复合材料铺层建模，基于压强计算不同材料和角度方案的桨叶变形量，反算桨叶型值参数并分析不同方案对型值和敞水性能的影响规律，通过叶梢最大变形评估不同方案的桨叶刚度，为后续步骤提供规律数据支撑。

步骤4，计算复合材料螺旋桨的稳态流固耦合性能。采用基于势流理论和结构有限元相结合的复合材料螺旋桨稳态双向流固耦合计算方法，分析不同方案复合材料螺旋桨的耦合敞水性能和耦合结构变形，评估流体的附加刚度作用，以及结构耦合变形对敞水性能的影响水平。

步骤5，计算伴流场中螺旋桨非定常水动力。基于船后非均匀伴流场，采用基于粘流的瞬态水动力算法，分析单桨叶推力和扭矩周期性变化特性，及其与各旋转位置处伴流场的力学机理。

步骤6，计算复合材料螺旋桨的瞬态流固耦合性能。采用基于粘流理论和结构有限元相结合的复合材料螺旋桨瞬态双向流固耦合计算方法，分析不同方案复合材料螺旋桨的耦合非定常力和耦合结构周期性变形特性，评估不同方案复合材料桨叶周期性变形对非定常力的影响水平。

步骤7，开展低噪声复合材料螺旋桨优化分析。采用瞬态流固耦合算法，以及基于基因遗传算法的复合材料螺旋桨铺层角度优化设计方法，以降低非定常轴承力为目标，采用步骤4的快速高效耦合算法，开展水动力和结构性能的迭代细化设计工作，形成复合材料螺旋桨材料选型、铺层角度、各材料几何构型、高阻尼材料改性等技术设计方案。

步骤8，开展低噪声复合材料螺旋桨预变形优化分析。在等推力工况下，基于桨叶耦合变形场，反方向预加变形量，采用步骤4的快速高效耦合算法，计算预变形复合材料螺旋桨的水动力性能，通过多次迭代的方式，使预变形量达到收敛，最终确定复材桨的型值参数、复合材料或内部芯材的结构形式和连接方式。保证复合材料螺旋桨在设计航速下的推力和扭矩等同于对标金属桨的性能。

步骤9，开展步骤8所确定的低噪声复合材料螺旋桨的精细化性能分析。对低噪声预变形复合材料螺旋桨进行非定常水动力数值仿真计算、近场自噪声数值仿真计算、远场辐射噪声数值仿真计算、基于Zwart et al模型的空泡数值仿真计算、基于Hoffman准则的复合材料结构损伤失效强度数值仿真校核计算。对步骤9的数据进行分析对比，如果满足指标要求，则进行后续步骤，如不满足要求，则重新进行步骤1的虚拟模拟预装配至步骤3的材料选型，再重新执行步骤4至步骤9的程序，直到满足要求为止。

步骤10，根据步骤8所确定的螺旋桨开展低噪声预变形复合材料螺旋桨的缩比换算。考虑流体和结构的尺度效应问题，根据复合材料螺旋桨设计方案进行几何、材料、工况等的缩比换算，为开展模型试验做准备。

步骤11，制造步骤8所确定的低噪声预变形复合材料螺旋桨缩比模型，获得复合材料螺旋桨缩比模型。为验证低噪声预变形复合材料螺旋桨设计方案的准确性，根据缩比模型模具数控加工工艺流程、缩比模型复合材料桨叶成型工艺流程，采用阴阳模具热压罐成型工艺制造复合材料螺旋桨桨叶缩比模型，采用数控加工方式制造金属桨毂缩比模型，并完成复合材料螺旋桨缩比模型装配。

步骤12，开展复合材料螺旋桨缩比模型试验验证。开展水槽中船后复合材料螺旋桨模型水动力和噪声试验验证，形成缩比模型试验报告，并与仿真计算结果对比。

步骤13，优化步骤8所确定的低噪声预变形复合材料螺旋桨。在模型试验验证的基础上，对低噪声预变形复合材料螺旋桨设计方法进行修正，并微调设计方案，形成低噪声预变形复合材料螺旋桨最终优化结构。

步骤14，开展步骤13所确定的低噪声预变形复合材料螺旋桨加工工艺设计和制造。基于低噪声预变形复合材料螺旋桨定型设计方案，根据复合材料螺旋桨模具数控加工工艺流程、复合材料螺旋桨加工成型工艺流程、复合材料螺旋桨装配流程，采用阴阳模具热压罐成型工艺制造复合材料螺旋桨桨叶，采用数控加工方式制造金属桨毂，并完成复合材料螺旋桨装配。

步骤15，对步骤14制造的低噪声预变形复合材料螺旋桨开展低噪声预变形复合材料螺旋桨精度检验。按照技术文件的规定，本发明根据船用螺旋桨标准S级等规范要求，开展出厂检测，制定检测方案，具体有：桨叶外观和重量检测方案、桨叶型值和尺寸检测方案、桨毂接口尺寸检测方案、整桨静平衡试验方案、外观质量及着色探伤等出厂试验方案，评估低噪声预变形复合材料螺旋桨成型精度、内部损伤、静动平衡等加工和装配质量。

步骤16，对步骤14制造的低噪声预变形复合材料螺旋桨开展低噪声预变形复合材料螺旋桨刚度和强度检测。定制相关试验工装，将桨叶和模具活块固定在反力架上，在叶面处以集中载荷的形式等效施加沿桨叶局部位置法向的力，分级加载，缓慢加载至最大2倍推力，进行桨叶特定测点的法向变形和强度测试。试验中达到相应载荷后，分析记录复合材料螺旋桨单桨叶的位移与应变数据，测量低噪声预变形复合材料螺旋桨的静态加载变形。桨加载逐渐增大，直至发生纤维断裂，评估桨叶强度极限。

步骤17，对步骤14制造的低噪声预变形复合材料螺旋桨开展低噪声预变形复合材料螺旋桨振动特性检测。定制相关试验工装，测试时，将桨叶和模具活块固定在反力架上，布置加速度传感器并能反映出桨叶整体轮廓，采用力锤激振，输出各点的振动加速度信息和振动云图，分析干模态固有频率和阻尼，评估低噪声预变形复合材料螺旋桨的干模态。将桨叶固定于开阔水域中，采用防水型激振器和加速度传感器，开展湿模态测量试验，评估低噪声预变形复合材料螺旋桨的湿模态。将桨叶和模具活块固定在反力架上，布置加速度传感器，采用激振器激振，输出各点的加速度信息，分析振动响应函数，评估低噪声预变形复合材料螺旋桨的振动响应，与对标金属桨相关数据进行对比分析。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明创造的技术方案，而非对本发明创造保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明创造作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明创造的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明创造技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种低噪声预变形复合材料螺旋桨的实现方法，其特征在于：包括实施步骤为：

步骤1，复合材料螺旋桨几何外形与整体构型的虚拟模拟预装配，通过各半径处的弦长、螺距、纵倾、侧斜、厚度、拱度、剖面型值生成桨叶几何，根据桨毂尺寸生成桨毂几何，根据叶根处的螺距生成螺旋型金属插键，对桨叶和桨毂几何进行预装配，采用螺栓进行紧固；

步骤2，对虚拟模拟预装配的螺旋桨敞水性能进行分析；

步骤3，确定螺旋桨材料选型；

步骤4，计算复合材料螺旋桨的稳态流固耦合性能；

步骤5，计算伴流场中螺旋桨非定常水动力；

步骤6，计算复合材料螺旋桨的瞬态流固耦合性能；

步骤7，开展低噪声复合材料螺旋桨优化分析；

步骤8，开展低噪声复合材料螺旋桨预变形优化分析；

步骤9，开展低噪声复合材料螺旋桨的精细化性能分析；对水动力数值仿真计算、近场自噪声数值仿真计算、远场辐射噪声数值仿真计算、空泡数值仿真计算、强度数值仿真校核；对步骤9的数据进行分析对比，如果满足指标要求，则进行后续步骤，如不满足要求，则重新进行步骤1的虚拟模拟预装配至步骤3的材料选型，再重新执行步骤4至步骤9的程序，直到满足要求为止；

步骤10，根据步骤8所确定的螺旋桨开展低噪声预变形复合材料螺旋桨的缩比换算；

步骤11，制造步骤8所确定的低噪声预变形复合材料螺旋桨缩比模型，获得复合材料螺旋桨缩比模型；

步骤12，开展复合材料螺旋桨缩比模型试验验证；

步骤13，优化步骤8所确定的低噪声预变形复合材料螺旋桨；

步骤14，开展步骤13所确定的低噪声预变形复合材料螺旋桨加工工艺设计和制造；

步骤15，对步骤14制造的低噪声预变形复合材料螺旋桨开展低噪声预变形复合材料螺旋桨精度检验；

步骤16，对步骤14制造的低噪声预变形复合材料螺旋桨开展低噪声预变形复合材料螺旋桨刚度和强度检测；

步骤17，对步骤14制造的低噪声预变形复合材料螺旋桨开展低噪声预变形复合材料螺旋桨振动特性检测。

2.根据权利要求1所述的一种低噪声预变形复合材料螺旋桨的实现方法，其特征在于：步骤1中桨毂和金属插键选用为镍铝青铜合金；桨叶为通铺碳/玻璃纤维或复合材料蒙皮包覆高阻尼芯材或高阻尼材料蒙皮包覆复合材料芯材。

3.根据权利要求1所述的一种低噪声预变形复合材料螺旋桨的实现方法，其特征在于：步骤1中桨毂外部尺寸与对标金属螺旋桨桨毂保持一致。

4.根据权利要求1所述的一种低噪声预变形复合材料螺旋桨的实现方法，其特征在于：步骤8中预变形优化分析时，采用多次迭代的方式保证预变形精度，最终确定复材桨的型值参数、复合材料或内部芯材的结构形式和连接方式。

5.根据权利要求1所述的一种低噪声预变形复合材料螺旋桨的实现方法，其特征在于：步骤9中水动力数值仿真计算时，首先开展基于势流理论的稳态流固耦合面元法计算，然后开展基于粘流理论的瞬态流固耦合计算。

6.根据权利要求1所述的一种低噪声预变形复合材料螺旋桨的实现方法，其特征在于：步骤9中噪声数值仿真时，首先开展近场自噪声数值仿真计算，然后开展远场辐射噪声数值仿真计算。

7.根据权利要求1所述的一种低噪声预变形复合材料螺旋桨的实现方法，其特征在于：步骤9中空泡数值仿真时，通过标模试验验证数值计算方法的准确性，以此为基础开展复合材料螺旋桨在特定工况下的空泡特性计算，并分析其空泡作用机理。

8.根据权利要求1所述的一种低噪声预变形复合材料螺旋桨的实现方法，其特征在于：步骤9中强度数值仿真校核时，采用基于结构有限元数值仿真计算的复合材料螺旋桨强度校核及损伤失效评估方法开展复合材料螺旋桨强度校核。

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