[发明专利]一种基于复合材料结构的流固耦合数值预测方法

说明书

本发明涉及一种复合材料水翼的流固耦合数值预测方法，属于叶轮机械模拟技术领域。本发明通过建立复合材料水翼结构模型及网格划分、建立三维流域并对三维流域进行网格划分、建立计算流体力学模型，再进行初始定常流场数值计算和非定常流固耦合数值计算，然后对计算结果进行后处理，获得流场结构与复合材料水翼变形随时间的动态变化过程。本发明充分考虑了流体粘性和结构三维外形的影响，提高了数值计算结果的可信度；且本发明能够实现对复合材料水翼流固耦合现象进行高精度的数值预测。

技术领域

本发明涉及一种复合材料水翼的流固耦合数值预测方法，属于叶轮机械模拟技术领域。

背景技术

近年来，随着技术的发展，复合材料的广泛使用使得水力机械具有低振动、低噪音、轻质、高效和耐腐蚀等特点。由于复合材料质量比、刚度和阻尼等的变化，复合材料叶片流固耦合和水弹性行为的非定常性、非线性和强耦合性变得更为明显。复合材料本身的内部耦合效应，如弯扭耦合效应，使得复合材料的流固耦合响应更加复杂。因此，探究复合材料结构的流固耦合特性有着更为实际的工程价值和科学意义。

20世纪80年代以来，随着计算机设备的发展和计算技术的进步，计算流体力学的发展进一步推动了流固耦合问题的研究。同时，基于古典层合板理论的复合材料力学的发展，也促进了有限元法对复合材料特性的表达。目前，国内外工程界通过面元法和有限元法相结合(Mulcahy N L,Prusty B G,Gardiner C P.Flexible composite hydrofoils andpropeller blades[C].Engineers Australia,2010.)，可以实现复合材料螺旋桨的流固耦合数值计算，预测复合材料螺旋桨的变形及水动力性能。然而，一方面，该流固耦合计算方法将螺旋桨看作是一个面，忽略了螺旋桨的三维形状，预测的螺旋桨结构变形与实际有所差异；另一方面，该方法基于势流理论，忽略了流体介质粘性，无法准确反映这种复杂物理场环境及工况下的复合材料结构水动力性能与流激振动特性。因此，对于复合材料流固耦合问题，有必要发展和完善考虑复杂流场和复合材料三维结构特性的数值预测方法。

水翼是水力机械结构的基本单元。目前，国内外已有对弹性水翼流固耦合的实验与数值研究，但对复合材料水翼的流固耦合研究相对较少，缺乏系统完善的复合材料水翼流固耦合特性的数值预测方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有复合材料水翼的流固耦合存在考虑不够全面的问题，提出一种基于复合材料结构的流固耦合数值预测方法。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种基于复合材料结构的流固耦合数值预测方法，具体步骤如下：

步骤一：复合材料水翼结构模型建立及网格划分。

利用三维建模软件建立复合材料水翼的中面、上端面和下端面。将中面导入ANSYSWorkbench平台里的ACP模块中，实现中面网格划分。通过设置铺层材料和铺层方式，并导入上端面和下端面来约束结构的外形，最终实现用于有限元(FEM)结构求解计算的复合材料水翼结构模型建立及网格划分。

步骤二：复合材料水翼结构边界条件设定。

在有限元结构求解器中，将步骤一所得的复合材料水翼结构模型的尾部设定为固定端，其他表面则设置为流固耦合交界面，以便与计算流动动力学(CFD)求解器进行力和位移数据的传递。

步骤三：三维流域建立。