[发明专利]碳纤维复合材料船用螺旋桨的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种螺旋桨的设计方法。

背景技术

20世纪70年代以来，随着各类新型舰艇及高速船舶日益发展，世界上的船舶吨位和主机功率迅速增大，对螺旋桨振动、噪声以及推进性能的要求也显著提高。与传统的金属螺旋桨相比，碳纤维复合材料船用螺旋桨具有低振动、低噪音、轻质高效、耐海水腐蚀和易维修的特点。由于碳纤维复合材料与金属材料之间有着本质的区别，因此在螺旋桨的设计上存在着较大差异。

目前，碳纤维复合材料在船舶领域的广泛使用给螺旋桨的设计者提供了全新的契机。与传统的金属材料相比，碳纤维复合材料具有材料体系多样性，比强度比刚度高，阻尼性能优异，结构组成形式可设计等优点，这就为螺旋桨多方面性能要求(推进性能、噪声、质量)的满足提供了基础。现有的碳纤维复合材料船用螺旋桨采用金属螺旋桨型值，没有考虑到螺旋桨在实际运转状况下的流-固耦合作用，导致现有的碳纤维复合材料螺旋桨效率低，不能有效满足舰船推进性能的要求。目前碳纤维复合材料螺旋桨的设计以及制备还处在起步阶段，缺乏系统完善的碳纤维复合材料螺旋桨设计方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前碳纤维复合材料螺旋桨的设计方法不完善的问题，进而提供了一种碳纤维复合材料船用螺旋桨的设计方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：所述优化设计方法由以下步骤实现的：

步骤一：用单向碳纤维或斜纹碳纤维布与环氧树脂复合，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，泊松比性能参数，其中弹性常数为EX＝1.1e11Pa，EY＝EZ＝8.97e9Pa，泊松比0.34、剪切模量3.9e9Pa；

步骤二：根据MAU型金属螺旋桨的几何型值，使用三维实体构型软件UG构建碳纤维复合材料螺旋桨的几何模型；

步骤三：将碳纤维复合材料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材料性能参数及初步设计选定的铺层方式构建碳纤维复合材料螺旋桨叶的有限元模型；

步骤四：将碳纤维复合材料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：结合碳纤维复合材料螺旋桨的运行工况(进速比J＝V_a/nD，转速n，)及水动力性能(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)