[发明专利]复合材料螺旋桨桨叶的导随边加固设计方法

摘要

复合材料螺旋桨桨叶的导随边加固设计方法，它涉及一种导随边加工设计方法，具体涉及复合材料螺旋桨桨叶的导随边加固设计方法。本发明为了解决现有复合材料螺旋桨叶片受到外部物体的冲击而易发生损伤的问题。本发明利用三维构型软件绘制桨叶截面的几何模型和桨叶的几何模型，利用RANS方程计算桨叶的水动力性能，根据桨叶的水动力性能选取i种满足水动力性能要求的改进方案，根据最终确定的几何模型估算螺旋桨体积，并进一步估算螺旋桨重量G，确定G最小的改进方案为导随边增强型复合材料螺旋桨桨叶的设计方案。本发明用于舰艇的运输工具。

主权项

复合材料螺旋桨桨叶的导随边加固设计方法，其特征在于：所述复合材料螺旋桨桨叶的导随边加固设计方法的具体步骤如下：步骤一、利用三维实体构型软件绘制桨叶截面的几何模型，并计算nR截面上距离导随边为0.05Cchord处叶面和叶背的纵坐标值，其中n＝0.1,0.2,…0.9,1，Cchord为nR截面的弦长，R表示螺旋桨半径；步骤二、将各截面的HLAnr、HLBnr、HTAnr及HTBnr值以m倍进行增大，m＝1.05,1.1,1.15,1.2，并根据这些纵坐标值，利用数学建模软件对第nR截面的其余型值点进行重新拟合调整，构建螺旋桨桨叶新的截面形式，其中HLAnr表示第nR截面距导边0.05Cchord处叶面的纵坐标值，HLBnr表示第nR截面距导边0.05Cchord处叶背的纵坐标值，HTAnr表示第nR截面距随边0.05Cchord处叶面的纵坐标值，HTBnr表示第nR截面距随边0.05Cchord处叶背的纵坐标值；步骤三、使用三维实体构型软件绘制桨叶的几何模型，并进一步绘制改进后螺旋桨的几何模型；步骤四、将改进后螺旋桨的几何模型导入计算机流体力学分析软件的前处理器GAMBIT，构建流体域，划分流体网格，构建水动力计算模型；步骤五、建立基于RANS方程的流体动力学计算分析模型，如公式(1)所示：∂∂t(ρui)+∂∂xj(ρuiuj)=-∂p∂xi+∂∂xj(μ∂ui∂xj-ρui′uj′‾)+Si---(1);]]>公式(1)中ρ表示流体密度，u为笛卡尔坐标系统下的速度矢量，xi、xj分别表示不同的空间方向，Si表示源项，t表示时间，p表示静态压力，μ表示分子粘度，表示Reynolds应力，求解RANS方程，从而获取螺旋桨上的水动力性能，即推力系数KT＝T/ρn2D4，扭矩系数KQ＝Q/ρn2D5，效率η＝JKT/2πKQ，其中Q表示螺旋桨所受到的扭矩，n表示螺旋桨转速，D表示螺旋桨直径，J表示进速系数，T表示螺旋桨产生的推力；公式(1)的推导过程如下：步骤A、螺旋桨叶片在粘性湍流中旋转，其连续方程和RANS的动量方程为：连续方程：动量方程：公式(2)和(3)中ρ表示流体密度，t表示时间，u表示笛卡尔坐标系统下的速度矢量，x表示不同的空间方向，p表示静态压力，μ表示分子粘度，表示Reynolds应力；步骤B、建立Reynolds应力相对于平均速度梯度的关系：-ρui′uj′‾=μt(∂ui∂xj+∂uj∂xi)-23(ρk+μt∂ui∂xi)δij---(4),]]>公式(4)中μt表示湍动粘度，k表示湍动能，δij是Kronecker delta符号，当i＝j时δij＝1，当i≠j时δij＝0，ui表示时均速度；步骤C、使用SSTk‑ω模型，此时湍动粘度μt、湍动能k、湍动频率ω之间有如下关系：同时建立相应的两个输送方程k方程和ω方程，其表达式分别如下：k方程ω方程根据公式(4)、(5)、(6)、(7)对RANS方程进行封闭求解，从而获取作用在螺旋桨上的水动力；步骤六、核实改进螺旋桨的水动力性能是否满足设计要求，若不满足，返回步骤二，重新调整近导随边处叶面和叶背上的点的纵坐标值，重复步骤二至步骤六，直至改进螺旋桨的水动力性能满足设计要求；步骤七、选取i种满足水动力性能要求的改进方案，根据最终确定的几何模型估算螺旋桨体积，并进一步估算螺旋桨重量G，确定G最小的改进方案为导随边增强型复合材料螺旋桨桨叶的设计方案；ui、uj代表不同方向下的速度矢量，β′、β、α、σω、σk均表示常数；Pk表示湍流动能生成项。