[发明专利]一种新型轻质螺旋桨的设计与制造方法

说明书

本发明涉及一种新型轻质螺旋桨的设计与制造方法，依据要求设计出螺旋桨的基本轮廓特征，然后螺旋桨桨叶内部通过拓扑优化得到栅格状空隙结构，同时，桨叶表面依照水动力学及生物仿真进行表面微结构处理；设计完成后的新型轻质螺旋桨通过增材制造技术一体化加工出螺旋桨的内部栅格及表面微结构。本发明的优点在于：采用新型表面微结构来减少摩擦阻力，提高表面水动力性能，从而达到减阻降噪的效果；螺旋桨内部采用栅格型的阵列空腔结构，用以降低螺旋桨的重量和能量损耗，提高单位质量下的推力，获得高的推重比；此外，应用増材制造技术加工新型螺旋桨，不仅解决了普通方法无法完成的加工任务，还可以降低新产品的开发及制造成本，缩短研发周期。

技术领域

本发明涉及船用动力推进系统关键部件螺旋桨的设计与制造技术，特别涉及一种新型轻质螺旋桨的设计与制造方法。

背景技术

为了提高船用主机推动的效率，螺旋桨作为一种能量转换器，新型节能的螺旋桨越来越受到人们重视。在螺旋桨推进系统中，要减少其能量损失，提高螺旋桨的效率，就要减少其周向能量损失。为了解决该问题就需要对当前螺旋桨的结构进行改进设计。但是，新型结构的螺旋桨若结构过于复杂，普通加工方法则无法实现。

随着快速原型制造技术的发展，增材制造金属成型技术可以解决上述复杂结构生产上的难点。且越复杂的结构，对于増材制造技术来说越有应用价值。该设计方法相比常规新产品设计方法不仅会降低开发成本，还可大大缩短设计周期，对我国螺旋桨新产品的开发与制造意义重大。而目前的螺旋桨，在使用中存在的振动、噪声以及能耗过大等问题。

因此，亟需研发一种新型轻质螺旋桨的设计与制造方法，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种新型轻质螺旋桨的设计与制造方法，以解决目前的螺旋桨，在使用中存在的振动、噪声以及能耗过大等问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种新型轻质螺旋桨的设计与制造方法，其创新点在于：依据要求设计出螺旋桨的基本轮廓特征，然后螺旋桨桨叶内部通过拓扑优化得到栅格状空隙结构，同时，桨叶表面依照水动力学及生物仿真进行表面微结构处理，优化当前桨叶的曲面特征；设计完成后的新型轻质螺旋桨通过增材制造技术一体化加工出螺旋桨的内部栅格及表面微结构。

进一步地，所述设计过程包括如下步骤：

（1）初始设计：依据载重和马力性能要求完成螺旋桨基本结构的初步设计，获得特定直径、螺距、螺距角和盘面比的螺旋桨，并对其进行建模；

（2）内部优化设计：以拓扑优化技术为基础，在保证桨叶强度的前提下，将螺旋桨桨叶厚度较大出的实心结构优化为栅格状空隙结构，作为桨叶的强度支撑；

（3）表面特征设计：桨叶内部优化完成后，对桨叶表面进行微结构设计；参考仿生学结构设计在工业中的应用，在螺旋桨表面设计出恰当的微结构特征；螺旋桨桨叶数目依据设计要求确定，只需对其中一个桨叶进行结构优化和表面设计，阵列得到其他桨叶，以保证各桨叶结构的一致性；

（4）设计结果分析：螺旋桨内部和表面结构设计完成后，将螺旋桨三维模型导入workbench 中，将螺旋桨计算域划分为大小两个流域，大流域的网格划分使用六面体网格，而小流域则采用四面体网格；基于FLUENT的螺旋桨敞水效率计算及压力分布，对螺旋桨通过数值模拟得到螺旋桨在不同进速系数下的推力和扭矩，通过计算得到螺旋桨的敞水效率以及桨叶压力分布规律；将分析结果与优化设计前的螺旋桨模型对比，若无显著改善则重复步骤（2），对桨叶结构重新优化设计；若与优化前的螺旋桨性能相比达到期望的优化目标，则螺旋桨结构设计完成。

进一步地，所述微结构特征可以是鱼尾纹状微特征、波纹状微特征或鱼鳞状微特征中的任一种。

进一步地，所述制造过程包括以下步骤：