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复合材料螺旋桨弯扭耦合刚度特性分析

胡晓强 黄政 刘志华

胡晓强, 黄政, 刘志华. 复合材料螺旋桨弯扭耦合刚度特性分析[J]. 中国舰船研究, 2022, 17(1): 25–35 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02224
引用本文: 胡晓强, 黄政, 刘志华. 复合材料螺旋桨弯扭耦合刚度特性分析[J]. 中国舰船研究, 2022, 17(1): 25–35 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02224
HU X Q, HUANG Z, LIU Z H. Numerical analysis on bending-torsional coupling stiffness characteristics of composite propeller[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2022, 17(1): 25–35 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02224
Citation: HU X Q, HUANG Z, LIU Z H. Numerical analysis on bending-torsional coupling stiffness characteristics of composite propeller[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2022, 17(1): 25–35 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02224

复合材料螺旋桨弯扭耦合刚度特性分析

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02224
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51179198)
详细信息
    作者简介:

    胡晓强,男,1993年生,硕士生。研究方向:舰船流体动力性能。E-mail:987693397@qq.com

    黄政,男,1989年生,博士,讲师。研究方向:舰船流体动力性能。E-mail:huangzheng.315@163.com

    通信作者:

    黄政

  • 中图分类号: U664.33; U661.1

Numerical analysis on bending-torsional coupling stiffness characteristics of composite propeller

知识共享许可协议
复合材料螺旋桨弯扭耦合刚度特性分析胡晓强,等创作,采用知识共享署名4.0国际许可协议进行许可。
  • 摘要:   目的  复合材料螺旋桨的弯扭耦合变形程度反映了桨叶的刚度特性,而桨叶刚度特性又与其水动力性能存在一定的相关性,将从刚度的角度对复合材料螺旋桨的纤维铺层进行优化设计。  方法  首先,以DTMB 4383复合材料螺旋桨为研究对象,基于复合材料螺旋桨流固耦合自迭代算法,构建桨叶弯扭刚度数值计算方法;然后,分别在桨叶铺设单向碳纤维布或正交碳纤维布这2种情况下,对不同铺层方案桨叶的弯扭刚度进行数值计算,并研究桨叶的弯扭刚度特性以及其与水动力性能之间的对应规律。  结果  数值计算结果表明,复合材料螺旋桨单桨叶推力系数及其推力系数差值与桨叶刚度之间呈现出较为同步的变化规律;在主方向弹性模量相同的情况下,正交碳纤维布铺设的复合材料螺旋桨的最小推力系数差值大于单向碳纤维布铺设的复合材料螺旋桨;当材料的弹性模量降低时,桨叶的刚度随之减小,且复合材料螺旋桨单桨叶推力系数及其推力系数差值也会随之减小;当桨叶的刚度较小时,复合材料螺旋桨能够更好地发挥自适应流场的优势,经弯扭耦合能产生更大的螺距变形,从而在高、低伴流区中产生较金属螺旋桨更小的周期性推力脉动。  结论  所得结果可指导复合材料螺旋桨改善船艉水动力性能的优化设计。
  • 图  1  桨叶有限元模型

    Figure  1.  Finite element model of the blade

    图  2  纤维布的纤维铺层角度

    Figure  2.  Fiber layer angle of fiber cloth

    图  3  流固耦合计算流程

    Figure  3.  Fluid-structure interaction calculation process

    图  4  碳纤维复合材料螺旋桨敞水性能对比

    Figure  4.  Comparison of open water performance of carbon fiber composite propeller

    图  5  扭转力矩正方向示意图

    Figure  5.  Schematic diagram of torsional moment in positive direction

    图  6  所有铺层方案下叶梢螺距角变形量

    Figure  6.  Variation of pitch angle of blade tip for all fiber layer schemes

    图  7  −30°纤维角度下叶梢螺距角变形量

    Figure  7.  Variation of pitch angle of blade tip at −30° fiber angle

    图  8  所有铺层方案下各叶剖面螺距角变形量平均值

    Figure  8.  Average value of pitch angle variation of each blade section for all fiber layer schemes

    图  9  所有铺层方案下桨叶扭转力矩

    Figure  9.  The torsional moment of blade for all fiber layer schemes

    图  10  所有铺层方案下各叶剖面纵倾变形量平均值

    Figure  10.  Average value of trim variation of each blade section for all fiber layer schemes

    图  11  所有铺层方案下桨叶推力

    Figure  11.  The thrust of blade for all fiber layer schemes

    图  12  所有铺层方案下不同进速系数区间的桨叶弯曲刚度

    Figure  12.  Bending stiffness of blade under different advance coefficient intervals for all fiber layer schemes

    图  13  所有铺层方案下不同进速系数区间的桨叶扭转刚度

    Figure  13.  Torsional stiffness of blade under different advance coefficient intervals for all fiber layer schemes

    图  14  铺设材料1时桨叶在不同铺层方案下的弯扭刚度

    Figure  14.  Bending-torsional stiffness of blade for different fiber layer schemes with material 1

    图  15  铺设材料2时桨叶在不同铺层方案下的弯扭刚度

    Figure  15.  Bending-torsional stiffness of blade for different fiber layer schemes with material 2

    图  16  铺设材料3时桨叶在不同铺层方案下的弯扭刚度

    Figure  16.  Bending-torsional stiffness of blade for different fiber layer schemes with material 3

    图  17  铺设材料4时桨叶在不同铺层方案下的弯扭刚度

    Figure  17.  Bending-torsional stiffness of blade for different fiber layer schemes with material 4

    图  18  铺设材料1时的桨叶弯扭刚度和推力系数

    Figure  18.  Bending-torsional stiffness and thrust coefficients of blade with material 1

    图  19  铺设材料2时的桨叶弯扭刚度和推力系数

    Figure  19.  Bending-torsional stiffness and thrust coefficients of blade with material 2

    图  20  铺设材料3时的桨叶弯扭刚度和推力系数

    Figure  20.  Bending-torsional stiffness and thrust coefficients of blade with material 3

    图  21  铺设材料4时的桨叶弯扭刚度和推力系数

    Figure  21.  Bending-torsional stiffness and thrust coefficients of blade with material 4

    图  22  铺设材料1时的弯扭刚度和推力系数差值

    Figure  22.  Bending-torsional stiffness and difference values of thrust coefficient with material 1

    图  23  铺设材料2时的弯扭刚度和推力系数差值

    Figure  23.  Bending-torsional stiffness and difference values of thrust coefficient with material 2

    图  24  铺设材料3时的弯扭刚度和推力系数差值

    Figure  24.  Bending-torsional stiffness and difference values of thrust coefficient with material 3

    图  25  铺设材料4时的弯扭刚度和推力系数差值

    Figure  25.  Bending-torsional stiffness and difference values of thrust coefficient with material 4

    表  1  5个桨型的敞水性能对比

    Table  1.   Comparison of open water performance of five propellers

    J=0.5J=0.7J=0.833J=0.9J=1.0
    KT10KQKT10KQKT10KQKT10KQKT10KQ
    DTMB 4118计算值0.277 10.455 20.203 60.361 20.151 80.292 20.124 60.255 20.082 60.197 1
    DTMB 4118试验值0.287 60.481 40.200 00.360 00.123 30.244 40.076 70.177 5
    DTMB 4119计算值0.274 90.438 70.200 00.348 40.146 90.278 70.119 00.240 30.075 90.178 7
    DTMB 4119试验值0.285 00.477 00.200 00.360 00.146 00.280 00.120 00.239 0
    DTMB 4381计算值0.372 50.666 80.292 20.560 50.234 30.478 80.203 70.433 90.155 80.362 0
    DTMB 4381试验值0.385 00.665 00.298 00.550 00.205 00.412 00.152 00.335 0
    DTMB 4382计算值0.392 10.668 20.306 10.555 80.246 30.472 20.215 10.427 00.167 20.355 1
    DTMB 4382试验值0.394 00.680 00.310 00.565 00.215 00.435 00.165 00.360 0
    DTMB 4383计算值0.398 90.695 60.309 50.587 50.249 10.508 50.218 10.466 00.170 90.398 8
    DTMB 4383试验值0.385 00.662 00.310 00.570 00.218 00.465 00.183 00.406 0
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    表  2  复合材料螺旋桨收敛过程

    Table  2.   Convergence process of composite propeller

    迭代次数桨叶所有网格点总位移/mm
    J=0.5J=0.6J=0.7J=0.8J=0.9J=1.0
    0 353.748 310.279 267.339 225.281 183.683 142.428
    1 355.414 312.001 268.646 225.787 183.060 140.397
    2 355.676 312.230 268.844 225.951 183.191 140.493
    3 355.743 312.290 268.895 225.993 183.224 140.518
    4 355.760 312.304 268.908 226.004 183.232 140.525
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    表  3  材料1的属性

    Table  3.   The property of material 1

    参数数值
    E1 /GPa165
    E2E3 /GPa8.28
    G12G13 /GPa4.27
    G23 /GPa2.8
    ν12ν130.33
    ν230.48
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    表  4  材料2的属性

    Table  4.   The property of material 2

    参数数值
    E1 /GPa82.5
    E2E3 /GPa4.14
    G12G13 /GPa2.135
    G23 /GPa1.4
    ν12ν130.33
    ν230.48
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    表  5  材料3的属性

    Table  5.   The property of material 3

    参数数值
    E1E2/GPa165
    E3/GPa8.28
    G12/GPa4.27
    G13G23/GPa2.8
    ν120.33
    ν13ν230.48
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    表  6  材料4的属性

    Table  6.   The property of material 4

    参数数值
    E1E2/GPa82.5
    E3/GPa4.14
    G12/GPa2.135
    G13G23/GPa1.4
    ν120.33
    ν13ν230.48
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-12-15
  • 修回日期:  2021-03-09
  • 网络出版日期:  2022-01-05
  • 刊出日期:  2022-03-02

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