[发明专利]一种复合材料螺旋桨的结构阻尼设计方法

权利要求书

1.一种复合材料螺旋桨的结构阻尼设计方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤1：对全频段复合材料阻尼的数值进行预测，确定各阶固频下的材料比阻尼系数；

步骤2：建立复合材料螺旋桨桨叶的有限元模型，确定复合材料螺旋桨模态阻尼；

步骤3：确定复合材料螺旋桨结构阻尼，所述步骤3具体为：

步骤3.1：结构的阻尼矩阵通过质量矩阵和刚度矩阵的函数表示，根据质量比阻尼因子和刚度比阻尼因子确定阻尼矩阵，通过下式表示阻尼矩阵：

C＝αM+βK (1)

其中，α为质量比阻尼因子，β为刚度比阻尼因子；

步骤3.2：根据不同模态下复合材料桨叶的模态阻尼系数，计算平均阻尼系数并获取对应的频率平均模态阻尼通过分别对各阶模态的频率和阻尼系数乘以权重0.7，0.1，0.1，0.1，使用加权平均方法获得的平均模态阻尼为通过平均计算获得的平均模态阻尼为

步骤3.3：根据平均值模态阻尼及相应的频率，确定质量比阻尼因子α和刚度比阻尼因子β，通过下式确定质量比阻尼因子α和刚度比阻尼因子β：

其中，和分别为加权平均和平均计算确定的平均模态阻尼系数；和为加权平均和平均计算确定的平均模态频率；

根据质量比阻尼因子和刚度比阻尼因子作为复合材料螺旋桨桨叶结构阻尼的评价参数。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料螺旋桨的结构阻尼设计方法，其特征是：所述步骤1具体为：

步骤1.1：建立复合材料层合板试样的几何模型，通过定义单元类型、铺层方向，划分网格，构建复合材料单向层合板的有限元模型；

利用基于模态应变能的有限元方法对复合材料进行模态分析，提取不同频率下复合材料的比阻尼系数ψ_i，其中i＝1,…5表示复合材料的不同材料方向；

步骤1.2：根据不同频率下复合材料的比阻尼系数，对于材料正应力方向，通过不同频率下的比阻尼系数值，构建复合材料在该材料方向上的比阻尼系数二维插值函数，构建出复合材料在各自方向上的比阻尼系数插值函数，有效实现全频段复合材料比阻尼系数的数值预测。

3.根据权利要求1所述的一种复合材料螺旋桨的结构阻尼设计方法，其特征是：所述步骤2具体为：

步骤2.1：利用基于模态应变能的有限元方法对复合材料螺旋桨桨叶完成模态分析，在复合材料桨叶一阶固有频率下，提取复合材料桨叶任意层合单元e中任意铺层k下的应变能，通过下式表示所述应变能：

其中，σ₁和ε₁为第k层的正应力和正应变，为第k层的正应力和正应变的应变能；σ₂和ε₂为第k层的横向应力和横向应变，为第k层的横向应力和横向应变的应变能；σ₅和ε₅为第k层的面内剪应力和剪应变，为第k层的面内剪应力和剪应变的应变能；σ₃和γ₃为(1,3)面横向剪应力和横向剪应变，为(1,3)面横向剪应力和横向剪应变的应变能；σ₄和γ₄为(2,3)面内的横向剪应力和横向剪应变，为(2,3)面内的横向剪应力和横向剪应变的应变能；

步骤2.2：当复合材料桨叶的每个层合单元e含有n层时，计算的任意第k层下的应变能，通过下式确定单元e各方向的应变能分量为：

其中，和为材料方向的面内应变能；和为材料方向横向剪切应变能；

当复合材料桨叶含有m个单元时，则桨叶的总应变能可表示为

其中，U为桨叶的总应变能；

确定层合单元e的耗散能，通过下式表示层合单元e的耗散能：

其中，ΔU^e为层合单元e的耗散能，为第k层复合材料的纵向比阻尼系数；为横向比阻尼系数；为面内剪切比阻尼系数；和为横向剪切比阻尼系数；

确定复合材料螺旋桨桨叶的总耗散能，通过下式表示复合材料螺旋桨桨叶的总耗散能：

其中，ΔU为复合材料螺旋桨桨叶的总耗散能；

步骤2.3：根据复合材料螺旋桨桨叶的总应变能和总耗散能，确定复合材料螺旋桨桨叶的模态阻尼系数ψ，通过下式确定复合材料螺旋桨桨叶的模态阻尼系数：

ψ＝ΔU/U (8)

确定模态阻尼损耗因子，通过下式表示模态阻尼损耗因子η：

η＝ψ/2π (9)。