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复合材料螺旋桨流固耦合特性研究· 李果，李巍，尤云祥 (上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海200240) 摘要 将计算流体力学方法和有限元方法相结合，对复合材料螺旋桨非定常流固耦合性能进行研究，设计三 种不同复合材料铺层，并分析不同铺层设计对螺旋桨水动力性能、压力分布、桨叶变形和应力分布信息等 的影响规律。结果表明，复合材料螺旋桨敞水性能与刚性螺旋桨基本接近，但由于复合材料密度较金属材 料为小，复合材料螺旋桨减重明显。 关键词：复合材料螺旋桨；流固耦合；水动力性能；铺层设计 1 引言 传统的螺旋桨大多由锰镍铝青铜合金(MAB)或者镍铝青铜合金(NAB)制作而成。这两种材 料具有抗腐蚀性能好、屈服强度高和硬度大等特点。但是，要把这两种金属材料加工成几何结构复 杂的螺旋桨，造价昂贵。另外，金属材料螺旋桨受腐蚀和空泡影响大，容易诱发疲劳裂纹，声阻尼 性能差，从而容易导致噪声问题…，这对军船尤其不利。 与传统的金属材料相比，复合材料具有比强度高、比模量高、密度小、可设计性强、制造工艺 简单以及成本较低等优点。此外，不同种类的复合材料还具有各种不同的优良性能，例如抗疲劳眭、 抗冲击性、透电磁波性、减振阻尼性和耐腐蚀性掣21，设计者可以根据设计需求，选择不同的复合 材料。 上个世纪60年代，复合材料螺旋桨第一次应用在苏联的一艘渔船上，该复合材料螺旋桨直径达 到2米。随后在上个世纪70年代初期，应用在大型商船上的复合材料螺旋桨直径更是达到了6米。 迄今为止，已有很多学者在复合材料螺旋桨流固耦合研究领域做了大量的工作。早期LIN【31采用升 力面理论和有限元法(FEM)结合的方法，分析了螺旋桨水弹性力学性能；2005年，他们又对复合材 结合研究了复合材料螺旋桨水动力性能以及变形、应力等力学性能，并与试验结果做了比较，数值计 料螺旋桨的水弹性力学性能，并做了复合材料铺层优化。LIN等[71分析了不同铺层顺序和铺层角度 对复合材料螺旋桨水动力性能的影响，同时研究了不同的铺层方式对螺旋桨螺距的影响。与国际水 平相比，我国复合材料螺旋桨研究起步较晚，还有待发展。 然而目前复合材料螺旋桨方面的研究，多数是在势流理论的框架之下，首先利用涡格法等方法计算 结构计算将桨叶表面的结构变形等信息反馈给流体分析软件，并基于桨叶变形重构流场网格，如此 不断反复迭代，最终获得收敛解。本文利用有限元软件ANSYS和CFD软件ANSYSCFX，将有限 ‘基金项目：武器装备部预研基金 226 元法和计算流体力学相结合，在粘性流动中对复合材料螺旋桨进行非定常流固耦合的计算。 2理论基础 2．1 CFD控制方程 雷诺对不可压缩Newton流体的N．S方程进行时间平均，得到著名的RANS方程。其具体形式 为， 警+五筹=z一筹+闪2五+鼍 丝：o axj 了未知数—Reynolds应力，使方程不封闭，无法求解，需要补充关系使问题封闭。将RANS方程和 各种湍流模型结合，可以使问题封闭而求解。RANS方程配合湍流模式是当前解决工程中粘性流动 问题的主要方法。 2．2复合材料螺旋桨FEM分析 有限元模型的平衡方程可以表示为， (【％】+【吒】+【磁】)∽={吃)+{巧) 其中，[％]，【KL]和【磁]分别代表线性刚度矩阵，初始位移矩阵和几何矩阵；{“}是螺旋桨 桨叶有限元网格节点的节点位移矩阵，{‘，}是除了流体作用力以外的所有外力，而{E}是流体作 用力瞪l。 2．3数值计算方法 流体计算采用有限体积离散方法，结构计算采用有限元法。紊流采用RNGk—s两方程模型， 流体迭代时间步长为0．002s。以螺旋桨叶面作为流固耦合面，在耦合面上需进行受力载荷和空间位 移信息的传递。具体地说，通过流体水动力计算得到螺旋桨桨叶受力载荷，将加载到固体计算单元 上，并通过固体计算获得桨叶的几何变形。基于此变形重构流体域网格，重新进行水动力计算，依 此过程反复迭代计算，最终获得收敛解。 3数值结果与分析 3．1刚性桨水动力性能 本次研究中采用某五叶大侧斜螺旋桨，直径D为0．25m，毂径比为0．3，转速lOrps。螺旋桨形 状以