一種復(fù)合材料螺旋槳的多工況推進(jìn)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及復(fù)合材料螺旋槳的多工況推進(jìn)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的金屬螺旋槳在設(shè)計(jì)過(guò)程中以?xún)?yōu)先設(shè)計(jì)常用工況下的推進(jìn)性能為目標(biāo)，這個(gè) 目標(biāo)決定了金屬螺旋槳的基礎(chǔ)型值，其他工況下的推進(jìn)性能無(wú)法實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 而復(fù)合材料螺旋槳由于其特殊的彎扭耦合效應(yīng)，可以通過(guò)設(shè)計(jì)復(fù)合材料的鋪層，進(jìn)行多目 標(biāo)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)金屬螺旋槳無(wú)法實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
[0003] 復(fù)合材料螺旋槳的設(shè)計(jì)方法有別于傳統(tǒng)的金屬螺旋槳，金屬螺旋槳的設(shè)計(jì)方法不 再滿(mǎn)足于復(fù)合材料螺旋槳。目前復(fù)合材料螺旋槳的研究還處于起步階段，復(fù)合材料設(shè)計(jì)過(guò) 程主要是基于傳統(tǒng)金屬螺旋槳，以金屬螺旋槳的型值參數(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)設(shè)計(jì)復(fù)合材料的鋪 層，實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)工況下推進(jìn)效率與金屬槳相同，或者優(yōu)于金屬槳的目標(biāo)。然而，螺旋槳在實(shí) 際航行過(guò)程中，還有其他航行工況，尤其對(duì)于有低速航行需求的艦船，因此僅僅優(yōu)化復(fù)合材 料螺旋槳在設(shè)計(jì)工況的推進(jìn)性能是不夠的。若能在保證設(shè)計(jì)工況下的推進(jìn)性能同時(shí)又能提 高其他工況下的推進(jìn)性能，則能夠有效的提高復(fù)合材料螺旋槳的綜合推進(jìn)性能，提高主機(jī) 的使用效率，達(dá)到節(jié)能的效果，延長(zhǎng)艦船的航行時(shí)間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有復(fù)合材料螺旋槳設(shè)計(jì)方法不完善的問(wèn)題，而提出一 種復(fù)合材料螺旋槳的多工況推進(jìn)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
[0005] 上述的發(fā)明目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0006] 步驟一、開(kāi)始；
[0007] 步驟二、確定復(fù)合材料螺旋槳設(shè)計(jì)進(jìn)速/下的螺距值ρ,，其中i = 1，2......η，n為復(fù) 合材料螺旋槳的徑向半徑數(shù)，取值為正整數(shù)；
[0008] 步驟三、采用面元法確定金屬螺旋槳在設(shè)計(jì)進(jìn)速為J1時(shí)，0.75R處葉剖面的來(lái)流角 度 9〇.75R;
[0009] 步驟四、計(jì)算金屬螺旋槳主槳葉0.75R處葉剖面最大推進(jìn)效率的來(lái)流攻角aQ.75R;
[0010] 步驟五、根據(jù)步驟三和步驟四確定金屬螺旋槳在設(shè)計(jì)進(jìn)速為J1時(shí)，〇. 75R處葉剖面 達(dá)到最大推進(jìn)效率的幾何螺距角θ1;
[0011] 步驟六、根據(jù)步驟五確定復(fù)合材料螺旋槳在設(shè)計(jì)進(jìn)速J1，到達(dá)高于金屬螺旋槳推 進(jìn)效率的幾何螺距角θ 1;
[0012] 步驟七、根據(jù)步驟二選取復(fù)合材料鋪層角度和順序；
[0013] 步驟八、根據(jù)步驟七設(shè)計(jì)出復(fù)合材料螺旋槳的初始幾何；
[0014] 步驟九、根據(jù)步驟八計(jì)算復(fù)合材料螺旋槳在進(jìn)速J1時(shí)的幾何螺距角Θ/ ;
[0015] 步驟十、根據(jù)步驟六和步驟九判斷螺距角| θ/ -θ: I，若I θ/ -θ: I 2 0.1°，則執(zhí)行步 驟七;若IΘ/ 41 <0.1°，則結(jié)束。
[0016] 發(fā)明效果
[0017] 在原有金屬螺旋槳的基礎(chǔ)上，利用復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性，通過(guò)設(shè)計(jì)鋪層角度結(jié)合 初始幾何的方式設(shè)計(jì)出一種復(fù)合材料螺旋槳，并使該螺旋槳在設(shè)計(jì)工況下和一個(gè)或多個(gè)其 他工況均有較高的推進(jìn)效率，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料螺旋槳的高效性。在保證設(shè)計(jì)進(jìn)速推進(jìn)性能高 效同時(shí)，使艦船在其他狀態(tài)航行時(shí)仍表現(xiàn)出較高推進(jìn)性能。螺旋槳使用的材料為復(fù)合材料 (碳纖維或者玻璃纖維）。
[0018] -種復(fù)合材料螺旋槳的多工況推進(jìn)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，涉及一種螺旋槳的優(yōu)化設(shè) 計(jì)方法，多工況指包含設(shè)計(jì)工況(設(shè)計(jì)進(jìn)速)和除設(shè)計(jì)工況外的一個(gè)或者多個(gè)工況(進(jìn)速）， 螺旋槳采用復(fù)合材料(碳纖維或者玻璃纖維）。以金屬螺旋槳的型值參數(shù)為基礎(chǔ)，確定復(fù)合 材料螺旋槳在設(shè)計(jì)工況下的幾何螺距，利用面元法設(shè)計(jì)出在除設(shè)計(jì)工況外的一個(gè)或者多個(gè) 工況下有較高推進(jìn)性能(推進(jìn)效率)的復(fù)合材料螺旋槳幾何螺距，通過(guò)復(fù)合材料螺旋槳初始 幾何設(shè)計(jì)和材料鋪層角度設(shè)計(jì)，使復(fù)合材料螺旋槳在水動(dòng)載荷作用力下實(shí)現(xiàn)預(yù)期螺距分 布。
[0019] 通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)多工況復(fù)合材料螺旋槳可達(dá)到較高推進(jìn)效率的幾何螺距，利用復(fù)合 材料彎扭耦合特性使其在相應(yīng)水動(dòng)載荷作用下發(fā)生預(yù)定扭轉(zhuǎn)變形，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料螺旋槳多 工況推進(jìn)性能提升的目的。
[0020] 通過(guò)預(yù)先確定復(fù)合材料螺旋槳在設(shè)計(jì)工況和其他工況下的幾何螺距值，使復(fù)合材 料螺旋槳不僅僅在設(shè)計(jì)工況下有較高的推進(jìn)效率，在其他航行工況下均有高于金屬螺旋槳 的推進(jìn)效率，提高了復(fù)合材料螺旋槳的綜合推進(jìn)性能。
[0021] 判斷螺距角| θ/ -θ: I，若I θ/ -θ: I 2 0.1°，則選取復(fù)合材料鋪層角度和順序;設(shè)計(jì) 出復(fù)合材料螺旋槳的初始幾何;計(jì)算復(fù)合材料螺旋槳在進(jìn)速J1時(shí)的幾何螺距角Θ/ ;改變復(fù) 合材料鋪層角度和順序，重新計(jì)算復(fù)合材料螺旋槳的初始幾何;若IΘ/ -θ: I <〇. 1°，則結(jié)束。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為本發(fā)明流程圖；
[0023]圖2為金屬螺旋槳主槳葉0.75R處葉剖面與來(lái)流之間夾角示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]【具體實(shí)施方式】一:結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的一種復(fù)合材料螺旋槳的 多工況推進(jìn)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，具體是按照以下步驟制備的：
[0025] 步驟一、開(kāi)始；
[0026] 步驟二、確定復(fù)合材料螺旋槳設(shè)計(jì)進(jìn)速f下的螺距值ΡΛ其中i = l，2……n，n為復(fù) 合材料螺旋槳的徑向半徑數(shù)，取值為正整數(shù)；
[0027]步驟三、采用面元法確定金屬螺旋槳在設(shè)計(jì)進(jìn)速為J1時(shí)，0.75R處葉剖面的來(lái)流角 度 9〇.75R;
[0028] 步驟四、計(jì)算金屬螺旋槳主槳葉0.75R處葉剖面最大推進(jìn)效率的來(lái)流攻角aQ.75R;
[0029] 步驟五、根據(jù)步驟三和步驟四確定金屬螺旋槳在設(shè)計(jì)進(jìn)速為J1時(shí)，0.75R處葉剖面 達(dá)到最大推進(jìn)效率的幾何螺距角θ 1;
[0030] 步驟六、根據(jù)步驟五確定復(fù)合材料螺旋槳在設(shè)計(jì)進(jìn)速J1，到達(dá)高于金屬螺旋槳推 進(jìn)效率的幾何螺距角θ1;
[0031 ]步驟七、根據(jù)步驟二選取復(fù)合材料鋪層角度和順序；
[0032]步驟八、根據(jù)步驟七設(shè)計(jì)出復(fù)合材料螺旋槳的初始幾何；
[0033]步驟九、根據(jù)步驟八計(jì)算復(fù)合材料螺旋槳在進(jìn)速J1時(shí)的幾何螺距角0/ ;
[0034] 步驟十、根據(jù)步驟六和步驟九判斷螺距角| θ/ -θ: I，若I θ/ -θ: I 2 0.1°，則執(zhí)行步 驟七;若|91/-01|<〇.1°，則結(jié)束；
[0035] 多工況指包含設(shè)計(jì)工況(設(shè)計(jì)進(jìn)速)和除設(shè)計(jì)工況外的一個(gè)或者多個(gè)工況(進(jìn)速）， 多個(gè)是指兩個(gè)或者兩個(gè)以上。
【具體實(shí)施方式】 [0036] 二:本實(shí)施方式與一不同的是:所述步驟二中確定復(fù) 合材料螺旋槳設(shè)計(jì)進(jìn)速f下的螺距值Ρ，，其中i = l，2……n，n為復(fù)合材料螺旋槳的徑向半 徑數(shù);具體過(guò)程為：
[0037] 以金屬螺旋槳的幾何型值為基礎(chǔ)參數(shù)，金屬螺旋槳的設(shè)計(jì)進(jìn)速為/，徑向螺距值 為口^，其中i = l，2……n，n為金屬螺旋槳的徑向半徑數(shù);將金屬螺旋槳的徑向螺距值p，確 定為復(fù)合材料螺旋槳設(shè)計(jì)進(jìn)速f下的螺距值Ρ:%復(fù)合材料螺旋槳在設(shè)計(jì)進(jìn)速為f時(shí)發(fā)生扭 轉(zhuǎn)變形后的螺距值為Ρ^)。
[0038] 其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0039]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是:所述步驟三中采 用面元法確定金屬螺旋槳在設(shè)計(jì)進(jìn)速為J1時(shí)，0.75R處葉剖面導(dǎo)邊前緣的來(lái)流角度;具體過(guò) 程為：
[0040]以格林公式為基礎(chǔ)，利用Fortran語(yǔ)言編寫(xiě)金屬螺旋槳面元法程序，根據(jù)金屬螺旋槳速 度場(chǎng)的求解模型
[0041 ]求解金屬螺旋槳速度場(chǎng)4jtV(p)，根據(jù)金屬螺旋槳速度場(chǎng)43iV(p)求解金屬螺旋槳所 在流域的擾動(dòng)速度V(p);
[0042] 其中，p為流場(chǎng)任意點(diǎn)，V(p)為金屬螺旋槳所在流域的擾動(dòng)速度，Q為螺旋槳表面上 的點(diǎn)，供為擾動(dòng)勢(shì)，△於為速度勢(shì)跳躍，Vo為來(lái)流速度，n Q為Q點(diǎn)法向向量，Rpq為點(diǎn)p與點(diǎn)Q之間 的距離，Ss為螺旋槳槳葉面， Sw為螺旋槳尾渦面，S為積分面，Qi為尾渦面上的點(diǎn)，％為點(diǎn)&