一种复合材料螺旋桨空泡性能的计算方法技术

一种复合材料螺旋桨空泡性能的计算方法，本发明专利技术涉及复合材料螺旋桨空泡性能的计算方法。本发明专利技术是要解决现有方法会因产生空泡影响螺旋桨的水动力性能，降低推进效率，严重影响舰船的隐蔽性，剥蚀螺旋桨表面材料，造成表面材料缺陷并且影响螺旋桨的水动力性能，而提出了一种复合材料螺旋桨空泡性能的计算方法。建立几何模型；网格划分；结构与流体设置；结构与流体计算；导出变形后几何模型；重新划分网格；空泡性能计算。本发明专利技术应用于螺旋桨领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及复合材料螺旋桨空泡性能的计算方法。
技术介绍
复合材料螺旋桨的研究工作从上世纪60年代开始，发展至今，相比于传统金属螺旋桨其轻质、高比刚度、高比强度、耐腐蚀等特性正逐渐应用到高性能舰船领域，在不久的将来将取代传统的金属螺旋桨。但是由于复合材料的变形特性，大大增加了研究工作的难度，需要同时考虑流体与结构的影响。随着水下探测设备在精度和探测距离方向的不断发展，对舰船的隐身性能和航行环境提出了更加苛刻的要求，复合材料螺旋桨的研究工作正面临着前所未有的难度与高度。螺旋桨在水中旋转时，叶面与叶背之间的压力差提供舰船前进的动力，在航行过程中，随着桨叶面压力的改变，不可避免的会产生空泡。空泡的产生会引起桨叶表面压力脉动，影响螺旋桨的水动力性能，降低推进效率。螺旋桨噪声是舰船噪声的主要来源，空泡是形成螺旋桨噪声的主要成因，严重影响舰船的隐蔽性。同时，空泡的长期作用还会剥蚀螺旋桨表面材料，造成表面材料缺陷，影响螺旋桨的水动力性能，因此复合材料螺旋桨的空泡性能研究具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术是要解决现有方法会因产生空泡影响螺旋桨的水动力性能，降低推进效率，严重影响舰船的隐蔽性，剥蚀螺旋桨表面材料，造成表面材料缺陷并且影响螺旋桨的水动力性能，而提出了一种复合材料螺旋桨空泡性能的计算方法。一种复合材料螺旋桨空泡性能的计算方法，它按以下步骤实现：步骤一、使用三维建模软件CAD建立复合材料螺旋桨的几何模型，螺旋桨所在的坐标系为笛卡尔坐标系，取X轴为螺旋桨的旋转轴，正X方向为来流方向；步骤二、在网格划分软件中建立复合材料螺旋桨流体计算域并划分网格；步骤三、流体基本设置：采用基于RANS方程的计算流体力学软件建立复合材料螺旋桨水动力性能求解方程，设置求解参数，边界条件、启动动网格、定义复合材料螺旋桨桨叶部分为流固耦合面，设置计算时间步为t0及步长n；步骤四、在AnsysWorkbench复合材料分析软件ACP中定义复合材料的弹性模量、杨氏模量和泊松比，定义复合材料铺层角度及顺序对复合材料螺旋桨桨叶进行铺层，铺层后生成含有复合材料属性及铺层特性的复合材料螺旋桨桨叶网格文件；步骤五、利用结构计算软件的前处理器划分桨毂有限元网格；步骤六、合并复合材料螺旋桨桨叶网格与桨毂有限元网格，在结构求解器中定义复合材料螺旋桨桨叶与桨毂接触部分为固定约束，将复合材料螺旋桨桨叶部分设置为流固耦合面，设置计算时间步t0及结束时间ta，其中ta＝t0·n；步骤七、定义流固耦合计算中流体计算的水动力载荷与复合材料螺旋桨桨叶变形量传递耦合面，流体部分的耦合面设置为耦合面1，结构部分的耦合面设置为耦合面2，耦合顺序从耦合面1到耦合面2，流固耦合计算时间步t0及结束时间ta；步骤八、建立复合材料螺旋桨流固耦合方程{[Kl]+[K0]+[Kg]-[Kr]本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合材料螺旋桨空泡性能的计算方法，其特征在于它按以下步骤实现：步骤一、使用三维建模软件CAD建立复合材料螺旋桨的几何模型，螺旋桨所在的坐标系为笛卡尔坐标系，取X轴为螺旋桨的旋转轴，正X方向为来流方向；步骤二、在网格划分软件中建立复合材料螺旋桨流体计算域并划分网格；步骤三、流体基本设置：采用基于RANS方程的计算流体力学软件建立复合材料螺旋桨水动力性能求解方程，设置求解参数，边界条件、启动动网格、定义复合材料螺旋桨桨叶部分为流固耦合面，设置计算时间步为t0及步长n；步骤四、在Ansys Workbench复合材料分析软件ACP中定义复合材料的弹性模量、杨氏模量和泊松比，定义复合材料铺层角度及顺序对复合材料螺旋桨桨叶进行铺层，铺层后生成含有复合材料属性及铺层特性的复合材料螺旋桨桨叶网格文件；步骤五、利用结构计算软件的前处理器划分桨毂有限元网格；步骤六、合并复合材料螺旋桨桨叶网格与桨毂有限元网格，在结构求解器中定义复合材料螺旋桨桨叶与桨毂接触部分为固定约束，将复合材料螺旋桨桨叶部分设置为流固耦合面，设置计算时间步t0及结束时间ta，其中ta＝t0·n；步骤七、定义流固耦合计算中流体计算的水动力载荷与复合材料螺旋桨桨叶变形量传递耦合面，流体部分的耦合面设置为耦合面1，结构部分的耦合面设置为耦合面2，耦合顺序从耦合面1到耦合面2，流固耦合计算时间步t0及结束时间ta；步骤八、建立复合材料螺旋桨流固耦合方程{[Kl]+[K0]+[Kg]-[Kr]}{u}-∫A[N]Tn{Pv}dA={Fext}+{Fr}+∫A[N]Tn{Pr}dA,]]>其中[Kl]为线性刚度矩阵，[K0]为初始位移矩阵，[Kg]为几何矩阵，[Kr]为旋转刚度矩阵，{u}为位移向量，[N]为位移插值函数矩阵，n为外法向量，dA为流体和固体耦合面，Pv为叶片旋转产生的水动压力，Pr为叶片弹性变形产生的水动压力，{Fext}为外力，{Fr}为离心载荷，求解上述方程，获得复合材料螺旋桨桨叶变形量和复合材料螺旋桨水动力；步骤九、使用通用语言编写命令读取复合材料螺旋桨桨叶变形量，将变形量映射到步骤一中的几何模型上，重构复合材料螺旋桨的几何模型，生成通用网格划分软件的输入文件格式；步骤十、重新划分重构的复合材料螺旋桨流体计算域，在重构的复合材料螺旋桨桨叶表面划分边界层，设置复合材料螺旋桨空泡性能求解参数，采用k‑ω SST湍流模型求解复合材料螺旋桨的空泡性能。...

【技术特征摘要】
1.一种复合材料螺旋桨空泡性能的计算方法，其特征在于它按以下步骤实现：
步骤一、使用三维建模软件CAD建立复合材料螺旋桨的几何模型，螺旋桨所在的坐标系
为笛卡尔坐标系，取X轴为螺旋桨的旋转轴，正X方向为来流方向；
步骤二、在网格划分软件中建立复合材料螺旋桨流体计算域并划分网格；
步骤三、流体基本设置：采用基于RANS方程的计算流体力学软件建立复合材料螺旋桨
水动力性能求解方程，设置求解参数，边界条件、启动动网格、定义复合材料螺旋桨桨叶部
分为流固耦合面，设置计算时间步为t0及步长n；
步骤四、在AnsysWorkbench复合材料分析软件ACP中定义复合材料的弹性模量、杨氏
模量和泊松比，定义复合材料铺层角度及顺序对复合材料螺旋桨桨叶进行铺层，铺层后生
成含有复合材料属性及铺层特...

【专利技术属性】
技术研发人员：王荣国，张旭婷，洪毅，赫晓东，刘文博，矫维成，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23