[发明专利]纤维增强复合材料船用螺旋桨叶片的优化设计方法

权利要求书

1.一种纤维增强复合材料船用螺旋桨叶片的优化设计方法，其特征在于所述优化设计方法由以下步骤实现的：

步骤一：用单向碳纤维与环氧树脂复合，制作碳纤维复合材料标准试件，并完成试验测试，获取弹性常数及泊松比性能参数，其中：在X，Y，Z方向的弹性模量均大于8e9Pa，泊松比大于0.2、剪切模量大于3e9Pa；

步骤二：根据高速金属螺旋桨桨叶型值数据，使用三维实体构型软件UG构建纤维增强复合材料船用螺旋桨的几何模型；

步骤三：将纤维增强复合材料船用螺旋桨的几何模型导入有限元软件ANSYS中，选取单元类型SOLID46对其进行网格划分，并结合步骤一中实验获取的弹性常数及泊松比性能参数，初步设计选定的铺层方式[0°₂/45°₂/90°₂/45°₂/90°₂/45°₂/90°₂]_s，构建纤维增强复合材料船用螺旋桨叶片的有限元模型；

步骤四：将纤维增强复合材料船用螺旋桨的几何模型导入计算流体力学分析软件的前处理器GAMBIT，建立流体域，完成流体网格的划分；

步骤五：结合纤维增强复合材料船用螺旋桨的运行工况，即进速比J＝V_a/nD，转速n及水动力性能即推力系数K_T＝T/ρn²D⁴，扭矩系数K_Q＝Q/ρn²D⁵，效率η＝JK_T/2πK_Q的设计要求，建立基于RANS方程的流体动力学计算分析模型，如公式(1)

其中u为笛卡尔坐标系统下的速度矢量，ρ是静态压力，μ是分子粘度， 是Reynolds应力，求解RANS方程，从而获取流动速度及作用在纤维 增强复合材料船用螺旋桨上的水动力；

步骤六：将纤维增强复合材料船用螺旋桨的有限元模型与流体动力学计算分析模型相耦合，获得纤维增强复合材料船用螺旋桨的流固耦合计算方程，如公式(2)：

其中dA是流体与结构的相互作用边界，n是外部法向矢量，P_r是叶片旋转产生的水动压力，P_v是叶片弹性变形产生的水动压力，{u}是局部节点位移矢量，{F_ext}和{F_r}分别是外力，流体力和离心载荷，[K_l]，[K₀]，[K_g]和[K_r]分别是线性刚度矩阵，初始位移矩阵，几何矩阵和旋转刚度矩阵，[N]是位移插值函数矩阵，使用Newton-Raphson方法求解该方程，完成迭代收敛计算，从而获取该几何外形及结构形式下纤维增强复合材料船用螺旋桨的水动力性能特征及几何非线性结构响应情况即应力和变形；

步骤七：根据流固耦合计算获取的结果，判断其是否满足纤维增强复合材料船用螺旋桨水动力的性能要求以及刚度的设计要求，即推力系数大于0.1，扭矩系数大于0.01，如果满足，则完成纤维增强复合材料船用螺旋桨的初步设计；

步骤八：如果不满足水动力和刚度设计要求，则需要对纤维增强复合材料船用螺旋桨实施预变形：首先在有限元软件ANSYS中提取叶片各节点的几何坐标即X，Y，Z，然后根据流固耦合计算结果，在X、Y、Z轴方向上提取叶片各节点处变形值即UX，UY，UZ，接下来结合叶片的形状所受流体力的分布情况，在高速金属螺旋桨桨叶型几何外形的基础上实行预先变形，在X、Y、Z轴方向上使各节点坐标取值为X+UX，Y+UY，Z+UZ，从而确定新的纤维增强复合材料船 用螺旋桨叶片的几何形式；

步骤九：在新的纤维增强复合材料船用螺旋桨叶片几何形式的基础上，重复步骤二—步骤八的过程，对新的纤维增强复合材料船用螺旋桨叶片几何外形实行预先变形，直至满足纤维增强复合材料船用螺旋桨的水动力性能要求，完成纤维增强复合材料船用螺旋桨的初步设计，获取适合于纤维增强复合材料船用螺旋桨的几何外形；

步骤十：根据步骤三中的铺层方法建立高效能低振动纤维增强复合材料船用螺旋桨的有限元模型，其中桨叶表面一层使用玻璃纤维铺设，内部由碳纤维和Kevlar纤维按1∶1的重量份数比交替铺设，铺放角度初选为[0°₂/45°₂/90°₂/45°₂/90°₂/45°₂/90°₂]_s；

步骤十一：结合步骤十中建立的有限元模型与步骤四及步骤五建立的流体力学分析模型，完成高效能低振动纤维增强复合材料船用螺旋桨的水弹分析，其耦合方程如下：

其中M，C，K分别是质量、阻尼和刚度矩阵、 和U分别是加速度、速度和位移矢量，A、 分别为附加质量、附加阻尼和附加刚度矩阵，F_h和F_r则分别为流体力和离心力；

步骤十二：将碳纤维与Kevlar纤维复合材料体系按比例即N∶1其中N＞1混合，利用遗传算法，将结构铺层顺序及铺放角度0°、±15°、±45°及90°作为设计参数，将水下湿态固有频率作为约束条件，将质量、动强度及阻尼振动响应作为纤维增强复合材料船用螺旋桨的目标函数，建立高效能低振动纤维增强复合材料船用螺旋桨的优化算法；

步骤十三：根据步骤十一完成纤维增强复合材料船用螺旋桨的水弹分析及计算结果，利用多目标评价体系就优化算法下的目标函数进行综合评价，比较 所有方案的最优值，获得高效能低振动复合材料船用螺旋桨所需的材料体系配合比例及结构内部铺设方式。

2.根据权利要求1所述纤维增强复合材料船用螺旋桨叶片的优化设计方法，其特征在于所述步骤二中高速金属螺旋桨为大侧斜或导管螺旋桨，转速为n＞1000rpm。