一种面向螺旋桨缩比相似模型的定频复合材料桨叶结构设计方法技术

本发明专利技术属于复合材料结构技术领域，提出了一种面向螺旋桨缩比相似模型的定频复合材料桨叶结构设计方法。该缩比定频复合材料螺旋桨桨叶结构由桨叶根肋、表面的复合材料蒙皮、内部的复合材料芯体和增材制造技术制备的芯体组成。该结构设计方法将蒙皮材料、分区、铺层的设计与芯体材料、结构形式的设计结合，同时结合制造约束改变结构局部或整体的刚度与质量分布，如此通过蒙皮与芯体的优化，完成了考虑制造性的缩比相似桨叶结构的定频优化。制造性的缩比相似桨叶结构的定频优化。制造性的缩比相似桨叶结构的定频优化。

【技术实现步骤摘要】
一种面向螺旋桨缩比相似模型的定频复合材料桨叶结构设计方法


[0001]本专利技术涉及复合材料结构领域，具体涉及一种面向螺旋桨缩比相似模型的定频复合材料桨叶结构设计方法。

技术介绍

[0002]复合材料具有较高的比强度、比刚度，同时具有较好的阻尼减振性能，广泛应用于航空航天、大型风电叶片等领域。复合材料良好的耐腐蚀性以及轻质高强的特点使得其在航海领域的应用也不断增加。对于水下螺旋桨桨叶这种动力结构，采用复合材料相较于传统的金属材质具有振动噪声低、耐腐蚀、减少空化等优点，因此水下复合材料螺旋桨受到了越来越多的关注。
[0003]螺旋桨桨叶结构在工作时，结构的振动会对结构的性能产生很大的影响，但是螺旋桨桨叶作为大尺寸结构，对此类大型结构很难开展相关动力学试验。因此基于原尺寸螺旋桨，开展满足一定动力学相似关系的复合材料螺旋桨桨叶缩比相似模型设计，通过探究缩比模型的振动特性以及水动力性能去反映基准模型的特性是非常必要的。
[0004]目前，面向缩比相似模型的指定频率的结构设计已有很多研究，在航空航天领域的机翼、火箭等结构中得到应用。如，文献，“北京航空航天大学学报，2019,45(4),743
‑
751”采用基于等效静态载荷法的几何非线性气动弹性缩比方法，通过2个不同的优化子程序分别匹配全尺寸飞机的非线性静响应和模态振型，通过此缩比模型再现了全尺寸飞机的非线性气动弹性行为。文献，“国防科技大学学报，2017,39(2),27
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31”以某型运载火箭为原型对象，根据其结构各部件的相似关系以及横向刚度和质量相似系数的约束，完成了火箭缩比模型的设计。专利“一种机翼复合材料缩比模型的制造方法，CN103342167B”提供了一种机翼复合材料缩比模型的制造方法。选择适当的材料参数和加工工艺参数，制造翼梁和翼肋，再在骨架上填充泡沫，进行修形。此方案以较小的重量获取较大的刚度和强度，并且能够根据不同的需要，调节机翼复合材料缩比模型的抗弯和抗扭刚度。专利“基于相似理论的飞艇缩比模型设计方法，CN111680361A”提供了一种基于相似理论的飞艇缩比模型设计方法，以设定的飞艇结构件为原型对象，基于相似理论对其静力学相应和动力学特性的缩比模型进行设计。
[0005]螺旋桨桨叶结构的设计仍存在以下问题：
[0006](1)目前复合材料螺旋桨桨叶大多为实心结构，通过改变材料、铺层方案来完成结构的定频设计，设计变量较少且多阶定频设计时存在频率调节幅度受限的问题。选择合适的蒙皮与芯体材料，将蒙皮的复合材料铺层设计与芯体的结构设计结合，可以获得更大的设计空间，包括阻尼性能与减重效果的考量。
[0007](2)缺少不对称桨叶的缩比优化设计。复合材料螺旋桨桨叶的设计对象大多厚度变化较为均匀，且上下蒙皮的铺层设计对称，缺少对大侧斜大扭转桨叶的不对称设计，即每个蒙皮分区的设计变量各自独立。
[0008](3)设计中缺少制造约束，且缺少设计结果的试验验证。变厚度复合材料桨叶从外到内的每一层铺层形状必然是逐渐减少的，尤其是桨叶中性面位置，而在计算中只能通过蒙皮分区进行简化处理。将厚度变化极为不均匀的芯体部分采用增材制造技术制作，在制造时可减小由铺层形状渐变所带来的误差。
[0009]以考虑制造性的缩比相似桨叶定频优化为设计目标，将蒙皮材料、分区、铺层的设计与芯体材料、结构形式的设计相结合进行结构的优化设计。根据缩比相似桨叶的厚度分布以及制造可实现性，将桨叶的蒙皮划分成若干分区，选用单材料或多种材料混杂，结合制造约束优化各分区的厚度，随后确定各分区的铺层角度与铺层顺序，可最大限度的利用复合材料的可设计性，改变结构局部或整体的刚度与质量分布。随后开展芯体结构的优化以改变结构的质量分布，芯体结构为梁肋结构、拓扑结构、周期孔洞阵列结构中的一种。如此通过蒙皮与芯体的优化，完成了考虑制造性的缩比相似桨叶结构的定频优化，同时基于本设计方法实现了某大侧斜桨叶定频结构设计的制造和试验验证，验证了本研究的面向螺旋桨缩比相似模型的复合材料桨叶结构定频设计方法可有效地呈现原始结构的动力学特性，可用于后续更复杂的动力学问题研究。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的在于提供一种面向螺旋桨缩比相似模型的定频复合材料桨叶结构设计方法。
[0011]本专利技术的技术方案如下：
[0012]一种面向螺旋桨缩比相似模型的定频复合材料桨叶结构设计方法，其特征在于，该设计方法将蒙皮材料、分区、铺层的设计与芯体材料、结构形式的设计相结合进行优化设计，结合制造性约束完成了缩比相似桨叶结构的定频优化。
[0013]所述复合材料缩比螺旋桨结构由桨毂1与复合材料桨叶2连接装配而成；复合材料桨叶2结构包括桨叶蒙皮3、桨叶芯体4和根肋5；桨叶蒙皮3包括上下蒙皮，主要由复合材料组成，蒙皮内部与桨叶芯体4连接，桨叶芯体4分为两部分，叶根较厚部分由复合材料组成的实心结构6，叶梢较薄部分连接实心结构6的夹芯结构7。夹芯结构7由增材制造技术制作，根肋5连接于桨叶根部；通过对桨叶蒙皮2进行考虑制造性的分区铺层铺角优化、桨叶夹芯结构形式的确定及优化设计，可实现螺旋桨缩比相似模型的复合材料桨叶的定频结构优化设计。
[0014]首先根据原尺寸桨叶的固有频率，结合由相似准则推导的频率比得到缩比相似复合材料桨叶结构的目标固有频率。根据目标固有频率与桨叶的结构形式(蒙皮的分区位置、分区厚度、分区的铺层角度和铺层顺序、蒙皮以及夹芯的材料方案、夹芯结构的结构形式及尺寸等)建立多阶频率优化模型。
[0015][0016]s.t.Ω
1b
≤Ω1≤Ω
1t
,
[0017]m
b
≤m≤m
t
,
[0018]p
m
＝c1,
[0019]p
d
≤c2,
[0020]p
s
≤c3,
[0021]θ
w
＝c4.
[0022]x
nb
≤x
n
≤x
nt
(n＝1,2,
···
,q)
[0023]上式中，Ω
ia
为设计模型的第i阶目标频率；Ω
is
为设计模型的第i阶频率，W
i
为第i阶频率差值的权重，有故优化目标为最小化结构前p阶各阶频率差值的和，且可通过改变权重值突出重要阶数的频率；Ω1为设计模型的第一阶固有频率；m为结构的质量；同时在蒙皮优化过程中加入制造性的考量，p
m
为铺层单层厚度，p
d
为相邻分区层合板之间的丢层厚度，p
s
为允许的最大连续相同铺层数量，θ
w
为结构表面铺层的角度约束。c1、c2、c3为常数，c4为某一指定的铺层角度或铺层角度组合；x
n
为设计模型中的设计变量，蒙皮优化时其设计变量为蒙皮各分区单元的厚度、铺层角度、铺层顺序，其中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向螺旋桨缩比相似模型的定频复合材料桨叶结构设计方法，其特征在于，该复合材料缩比螺旋桨结构由桨毂(1)与复合材料桨叶(2)连接而成；复合材料桨叶(2)结构包括桨叶蒙皮(3)、桨叶芯体(4)和根肋(5)；桨叶蒙皮(3)包括上下蒙皮，主要由复合材料组成，蒙皮内部与桨叶芯体(4)连接，桨叶芯体(4)分为两部分，叶根较厚部分由复合材料组成的实心结构(6)，叶梢较薄部分连接实心结构(6)的夹芯结构(7)；夹芯结构(7)由增材制造技术制备，根肋(5)连接于桨叶根部；通过选择合适的材料，对桨叶蒙皮(2)进行考虑制造性的分区铺层铺角优化、桨叶夹芯结构(7)进行结构形式的确定及优化设计，实现螺旋桨缩比相似模型的复合材料桨叶的定频结构优化设计。2.根据权利要求1所述的缩比定频复合材料螺旋桨桨叶结构设计方法，其特征在于，首先根据原尺寸桨叶的固有频率，结合由相似准则推导的频率比得到缩比相似复合材料桨叶结构的目标固有频率；根据目标固有频率与桨叶的蒙皮芯体结构特征建立多阶频率优化模型：s.t.Ω
1b
≤Ω1≤Ω
1t
，m
b
≤m≤m
t
，p
m
＝c1，p
d
≤c2，p
s
≤c3,θ
w
＝c4.x
nb
≤x
n
≤x
nt
(n＝1,2,
···
,q)上式中，Ω
ia
为设计模型的第i阶目标频率；Ω
is
为设计模型的第i阶频率，W
i
为第i阶频率差值的权重，有故优化目标为最小化结构前p阶各阶频率差值的和，且可通过改变权重值突出重要阶数的频率；Ω1为设计模型的第一阶固有频率；m为结构的质量；同时在蒙皮优化过程中加入制造性的考量，p
m
为铺层单层厚度，p
d
为相邻分区层合板之间的丢层厚度，p
s

【专利技术属性】
技术研发人员：牛斌，孙振华，杨睿，孙士勇，于浩俣，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：