一種復合材料螺旋槳空泡性能的計算方法
【技術領域】
[0001 ]本發(fā)明涉及復合材料螺旋槳空泡性能的計算方法。
【背景技術】
[0002] 復合材料螺旋槳的研究工作從上世紀60年代開始，發(fā)展至今，相比于傳統(tǒng)金屬螺 旋槳其輕質、高比剛度、高比強度、耐腐蝕等特性正逐漸應用到高性能艦船領域，在不久的 將來將取代傳統(tǒng)的金屬螺旋槳。但是由于復合材料的變形特性，大大增加了研究工作的難 度，需要同時考慮流體與結構的影響。隨著水下探測設備在精度和探測距離方向的不斷發(fā) 展，對艦船的隱身性能和航行環(huán)境提出了更加苛刻的要求，復合材料螺旋槳的研究工作正 面臨著前所未有的難度與高度。
[0003] 螺旋槳在水中旋轉時，葉面與葉背之間的壓力差提供艦船前進的動力，在航行過 程中，隨著槳葉面壓力的改變，不可避免的會產生空泡?？张莸漠a生會引起槳葉表面壓力脈 動，影響螺旋槳的水動力性能，降低推進效率。螺旋槳噪聲是艦船噪聲的主要來源，空泡是 形成螺旋槳噪聲的主要成因，嚴重影響艦船的隱蔽性。同時，空泡的長期作用還會剝蝕螺旋 槳表面材料，造成表面材料缺陷，影響螺旋槳的水動力性能，因此復合材料螺旋槳的空泡性 能研究具有十分重要的意義。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明是要解決現(xiàn)有方法會因產生空泡影響螺旋槳的水動力性能，降低推進效 率，嚴重影響艦船的隱蔽性，剝蝕螺旋槳表面材料，造成表面材料缺陷并且影響螺旋槳的水 動力性能，而提出了一種復合材料螺旋槳空泡性能的計算方法。
[0005] -種復合材料螺旋槳空泡性能的計算方法，它按以下步驟實現(xiàn)：
[0006] 步驟一、使用三維建模軟件CAD建立復合材料螺旋槳的幾何模型，螺旋槳所在的坐 標系為笛卡爾坐標系，取X軸為螺旋槳的旋轉軸，正X方向為來流方向；
[0007] 步驟二、在網格劃分軟件中建立復合材料螺旋槳流體計算域并劃分網格；
[0008] 步驟三、流體基本設置:采用基于RANS方程的計算流體力學軟件建立復合材料螺 旋槳水動力性能求解方程，設置求解參數(shù)，邊界條件、啟動動網格、定義復合材料螺旋槳槳 葉部分為流固耦合面，設置計算時間步為to及步長η;
[0009] 步驟四、在Ansys Workbench復合材料分析軟件ACP中定義復合材料的彈性模量、 楊氏模量和泊松比，定義復合材料鋪層角度及順序對復合材料螺旋槳槳葉進行鋪層，鋪層 后生成含有復合材料屬性及鋪層特性的復合材料螺旋槳槳葉網格文件；
[0010] 步驟五、利用結構計算軟件的前處理器劃分槳轂有限元網格；
[0011] 步驟六、合并復合材料螺旋槳槳葉網格與槳轂有限元網格，在結構求解器中定義 復合材料螺旋槳槳葉與槳轂接觸部分為固定約束，將復合材料螺旋槳槳葉部分設置為流固 親合面，設置計算時間步to及結束時間t a，其中ta = t〇 · η;
[0012] 步驟七、定義流固耦合計算中流體計算的水動力載荷與復合材料螺旋槳槳葉變形 量傳遞耦合面，流體部分的耦合面設置為耦合面1，結構部分的耦合面設置為耦合面2，耦合 順序從耦合面1到耦合面2，流固耦合計算時間步to及結束時間ta;
[0013] 步驟八、津立復合材料螺旋獎流固耦合方趕
[0014]
其中
[Κι]為線性剛度矩陣，[Κο]為初始位移矩陣，[Kg]為幾何矩陣，[Kr]為旋轉剛度矩陣，{u}為 位移向量，[N]為位移插值函數(shù)矩陣，η為外法向量，dA為流體和固體耦合面，Pv為葉片旋轉 產生的水動壓力，P r為葉片彈性變形產生的水動壓力，{FMt}為外力，{Fr}為離心載荷，求解 上述方程，獲得復合材料螺旋槳槳葉變形量和復合材料螺旋槳水動力；
[0015] 步驟九、使用通用語言編寫命令讀取復合材料螺旋槳槳葉變形量，將變形量映射 到步驟一中的幾何模型上，重構復合材料螺旋槳的幾何模型，生成通用網格劃分軟件的輸 入文件格式；
[0016] 步驟十、重新劃分重構的復合材料螺旋槳流體計算域，在重構的復合材料螺旋槳 槳葉表面劃分邊界層，設置復合材料螺旋槳空泡性能求解參數(shù)，采用k- ω SST湍流模型求解 復合材料螺旋槳的空泡性能。
[0017] 發(fā)明效果：
[0018] 通過上述所述發(fā)明，提出了一種復合材料螺旋槳空泡性能的計算方法，解決了現(xiàn) 有復合材料螺旋槳研究工作不完善的問題。利用該方法，能夠有效的計算復合材料螺旋槳 形成空泡的航行條件，空泡的形態(tài)及位置。規(guī)避航行條件，避免復合材料螺旋槳在航行過程 中形成空泡，影響推進性能。對空泡形成位置進行材料加強，為提高復合材料螺旋槳抗空泡 腐蝕性能研究工作提供理論基礎。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明流程圖。
【具體實施方式】
[0020]【具體實施方式】一:本實施方式的一種復合材料螺旋槳空泡性能的計算方法，它按 以下步驟實現(xiàn)：
[0021 ]步驟一、使用三維建模軟件CAD建立復合材料螺旋槳的幾何模型，螺旋槳所在的坐 標系為笛卡爾坐標系，取X軸為螺旋槳的旋轉軸，正X方向為來流方向；
[0022] 步驟二、在網格劃分軟件中建立復合材料螺旋槳流體計算域并劃分網格；
[0023] 步驟三、流體基本設置:采用基于RANS方程的計算流體力學軟件建立復合材料螺 旋槳水動力性能求解方程，設置求解參數(shù)，邊界條件、啟動動網格、定義復合材料螺旋槳槳 葉部分為流固耦合面，設置計算時間步為to及步長η;
[0024]步驟四、在Ansys Workbench復合材料分析軟件ACP中定義復合材料的彈性模量、 楊氏模量和泊松比，定義復合材料鋪層角度及順序對復合材料螺旋槳槳葉進行鋪層，鋪層 后生成含有復合材料屬性及鋪層特性的復合材料螺旋槳槳葉網格文件；
[0025]步驟五、利用結構計算軟件的前處理器劃分槳轂有限元網格；
[0026]步驟六、合并復合材料螺旋槳槳葉網格與槳轂有限元網格，在結構求解器中定義 復合材料螺旋槳槳葉與槳轂接觸部分為固定約束，將復合材料螺旋槳槳葉部分設置為流固 親合面，設置計算時間步to及結束時間ta，其中ta = t〇 · η;
[0027] 步驟七、定義流固耦合計算中流體計算的水動力載荷與復合材料螺旋槳槳葉變形 量傳遞耦合面，流體部分的耦合面設置為耦合面1，結構部分的耦合面設置為耦合面2，耦合 順序從耦合面1到耦合面2，流固耦合計算時間步to及結束時間t a;
[0028] 步驟八、建立復合材料螺旋槳流固耦合方程
[0029]
1 其中
[Κι]為線性剛度矩陣，[Κο]為初始位移矩陣，[Kg]為幾何矩陣，[Kr]為旋轉剛度矩陣，{u}為 位移向量，[N]為位移插值函數(shù)矩陣，η為外法向量，dA為流體和固體耦合面，Pv為葉片旋轉 產生的水動壓力，P r為葉片彈性變形產生的水動壓力，{FMt}為外力，{Fr}為離心載荷，求解 上述方程，獲得復合材料螺旋槳槳葉變形量和復合材料螺旋槳水動力；
[0030] 步驟九、為了后續(xù)復合材料螺旋槳的空泡性能計算，需要得到變形后的復合材料 螺旋槳幾何模型，軟件中不能直接導出變形后的復合材料螺旋槳幾何模型，因此這里需要 使用通用語言編寫命令讀取復合材料螺旋槳槳葉變形量，將變形量映射到步驟一中的幾何 模型上，重構復合材料螺旋槳的幾何模型，生成通用網格劃分軟件的輸入文件格式；
[0031] 步驟十、重新劃分重構的復合材料螺旋槳流體計算域，在重構的復合材料螺旋槳 槳葉表面劃分邊界層，設置復合材料螺旋槳空泡性能求解參數(shù)，采用k- ω SST湍流模型求解 復合材料螺旋槳的空泡性能。復合材料螺旋槳的空泡性能指復合材料螺旋槳產生空泡的航 行條件，空泡的形態(tài)及發(fā)生空泡的位置。
[0032]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:所述步驟二中復合材 料螺旋槳流體計算域分為外域和內域，內域包含復合材料螺旋槳為旋轉區(qū)域，采用非結構 網格劃分;外域為靜止區(qū)