復(fù)合材料螺旋槳流固耦合作用分析

1復(fù)合材料螺旋葉片的制備和性能研究在航空領(lǐng)域，通過(guò)氣動(dòng)彈性斷裂設(shè)計(jì)，合成飛機(jī)翼可以有效改善飛機(jī)的質(zhì)量，提高振動(dòng)速度，改善操作動(dòng)量，緩解機(jī)動(dòng)性負(fù)荷，改善升阻比性能，大大提高前輥翼的傳統(tǒng)速度。該飛機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)已被實(shí)際應(yīng)用。在船舶領(lǐng)域,歐共體多國(guó)的研究者在九十年代末期發(fā)起了船用復(fù)合材料螺旋槳的計(jì)劃,確認(rèn)了該類(lèi)螺旋槳巨大的商業(yè)價(jià)值,如德國(guó)A.I.R公司已有400多個(gè)該類(lèi)型槳在游艇上被采用;進(jìn)入21世紀(jì),英國(guó)科學(xué)技術(shù)組織QinetiQ歷時(shí)三年,成功設(shè)計(jì)、制造了一個(gè)直徑為2.9m的復(fù)合材料船用螺旋槳,并取得了海上試驗(yàn)成功。美國(guó)海軍于2004年春季開(kāi)始了一個(gè)三年的評(píng)估計(jì)劃,以正確評(píng)價(jià)與復(fù)合材料螺旋槳葉片有關(guān)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和性能問(wèn)題。目前據(jù)報(bào)道,德國(guó)針對(duì)某常規(guī)潛艇已開(kāi)展了碳纖維復(fù)合材料實(shí)槳方案性能測(cè)試研究。早期對(duì)復(fù)合材料螺旋槳流固耦合性能的研究是在1996年,Lin等發(fā)展了考慮流固耦合的3DFEM/VLM方法,并用于螺旋槳水動(dòng)力性能分析,隨后,Lin等進(jìn)一步完善計(jì)算方法,1997年研究了材料鋪層對(duì)水彈性性能影響,2004年增加了遺傳算法,進(jìn)行材料鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì),2005年增加了應(yīng)力評(píng)估和疲勞標(biāo)準(zhǔn)。Lee12]也進(jìn)行了類(lèi)似的復(fù)合材料螺旋槳優(yōu)化設(shè)計(jì)。在以上研究中,僅限于定常情況下的槳葉變形分析,沒(méi)有計(jì)及流場(chǎng)非均勻性的影響。ONR最近也投資了三個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行了計(jì)算和試驗(yàn)研究。Young等和Chen等于2006年進(jìn)行了復(fù)合材料螺旋槳設(shè)計(jì)、試驗(yàn)以及加工的初步研究,在他們的計(jì)算研究中考慮流固耦合特性以及非均勻伴流的影響,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。Young等采用面元法和有限元法分析了復(fù)合材料螺旋槳流固耦合特性,在假定的“十”字形非均勻尾流條件下,計(jì)算了槳葉振動(dòng)特性,由模型試驗(yàn)測(cè)試到了分析槳的振動(dòng)頻率,其詳細(xì)數(shù)據(jù)尚未公開(kāi)。Young等還進(jìn)行了復(fù)合材料的正交性對(duì)螺旋槳水彈性性能的影響研究。近兩年來(lái),Motley等針對(duì)復(fù)合材料節(jié)能性能做了分析研究,提出了基于性能的自適應(yīng)復(fù)合材料螺旋槳設(shè)計(jì)概念。本文首先進(jìn)行了復(fù)合材料二維彈性剖面靜力學(xué)分析,然后采用流固耦合分析技術(shù)對(duì)不同槳葉幾何的流固耦合作用特性做了比較研究,最后通過(guò)與剛性螺旋槳性能的比較,對(duì)復(fù)合材料多工況水動(dòng)力性能以及來(lái)流變化過(guò)程中復(fù)合材料螺旋槳的振動(dòng)性能進(jìn)行了初步研究,為復(fù)合材料螺旋槳設(shè)計(jì)與應(yīng)用做了鋪墊。2維彈性剖面模型螺旋槳三維結(jié)構(gòu)幾何在對(duì)應(yīng)外載荷作用下發(fā)生流固耦合變形,其變形規(guī)律可采用簡(jiǎn)化的二維彈性剖面模型進(jìn)行定性分析。為了提高空泡性能,船舶螺旋槳廣泛采用大盤(pán)面比槳葉,在簡(jiǎn)化的二維剖面模型中除了攻角的變化,其翼型也發(fā)生變化,主要表現(xiàn)在剖面拱度的變化。2.1側(cè)斜螺釘分類(lèi)圖1為氣動(dòng)彈性分析中的簡(jiǎn)化二維機(jī)翼分析模型,在彈性靜力學(xué)分析中有如下規(guī)律:側(cè)斜螺旋槳根據(jù)側(cè)斜方向不同可分為:前側(cè)斜螺旋槳和后側(cè)斜螺旋槳。目前,船舶螺旋槳大多采用后側(cè)斜螺旋槳,對(duì)于前側(cè)斜螺旋槳也有學(xué)者研究其對(duì)梢渦空泡起始性能的影響。2.2剖面結(jié)構(gòu)變化對(duì)螺距角和拱度的影響對(duì)于大盤(pán)面比的復(fù)合材料船用螺旋槳葉片,在流固耦合作用下除了螺距角變化外,由于螺旋槳剖面結(jié)構(gòu)以及外載荷分布在弦向上的變化,使得剖面發(fā)生變形,如圖2所示,其中剖面拱度變化較大。一般由于隨邊厚度相對(duì)導(dǎo)邊較小,變形較大,這樣剖面拱度呈變小趨勢(shì)。3復(fù)合材料參數(shù)的選取為研究復(fù)合材料螺旋槳不同弦長(zhǎng)、厚度、側(cè)斜以及剖面葉型等參數(shù)對(duì)變形及水動(dòng)力的影響,本文采用在文獻(xiàn)中建立的流固耦合數(shù)值分析方法,選取直徑為0.88m,縱傾為0的五葉螺旋槳進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算中選取的復(fù)合材料屬性來(lái)自文獻(xiàn)中Soden(1998)針對(duì)AS4Carbon/3501-6碳纖維復(fù)合材料的試驗(yàn)數(shù)據(jù),其參數(shù)如表1所示。復(fù)合材料螺旋槳鋪層均為[30/-30/90/-90/30]s的對(duì)稱(chēng)鋪層方式,各槳工作條件為進(jìn)速系數(shù)J=0.975,轉(zhuǎn)速N=970r/min。3.1復(fù)合材料槳葉結(jié)構(gòu)流固耦合分析螺旋槳弦長(zhǎng)是決定螺旋槳盤(pán)面比的重要參數(shù),弦長(zhǎng)越大,盤(pán)面比越大,螺旋槳空泡性能越好,但是摩擦阻力增加,效率越低。弦長(zhǎng)對(duì)于復(fù)合材料螺旋槳流固耦合性能的影響除改變水動(dòng)力外載荷的分布外,也改變了結(jié)構(gòu)性能。圖3為兩槳在未變形前的弦長(zhǎng)分布(小弦長(zhǎng):C/D_1;大弦長(zhǎng):C/D_2),并保持其它參數(shù),如厚度,螺距和側(cè)斜等不變。對(duì)兩只復(fù)合材料螺旋槳進(jìn)行流固耦合分析,圖4為變形分布比較,可以看出:通過(guò)流固耦合作用后,兩槳最大變形比較接近,但是變形的分布有較大區(qū)別,大弦長(zhǎng)螺旋槳的變形更集中在靠近梢部隨邊。圖5為兩槳在變形前后的水動(dòng)力性能比較。兩槳在流固耦合相互作用下水動(dòng)力負(fù)荷均減小,其主要原因是變形使得螺距和拱度減小。對(duì)于小弦長(zhǎng)復(fù)合材料螺旋槳,變形使得推力和扭矩的減小量分別為11.3%和12.4%,效率增加了0.9%;大弦長(zhǎng)螺旋槳推力和扭矩減小量分別為19.9%和20.2%,效率增加了0.2%。上述比較分析表明:弦長(zhǎng)變化,復(fù)合材料槳葉變形分布隨之變化,從而影響各剖面攻角及翼型的不同變化;弦長(zhǎng)越長(zhǎng),變形越集中于梢部隨邊,從而帶來(lái)更大的水動(dòng)力變化。3.2流固耦合作用分析螺旋槳側(cè)斜是改善螺旋槳性能的一個(gè)重要參數(shù),特別是螺旋槳激振性能。對(duì)于復(fù)合材料螺旋槳,由于側(cè)斜分布會(huì)改變二維剖面模型剛心的位置,因此將對(duì)復(fù)合材料螺旋槳流固耦合性能產(chǎn)生顯著影響。本文進(jìn)行了無(wú)側(cè)斜復(fù)合材料螺旋槳與采用圖6中后側(cè)斜分布的復(fù)合材料螺旋槳流固耦合特性的比較計(jì)算分析。兩槳在其他參數(shù),比如厚度,螺距和剖面等保持不變。圖7為變形分布比較,可以看出:通過(guò)流固耦合作用后,側(cè)斜槳最大變形為無(wú)側(cè)斜槳的1.98倍,而且兩者的變形分布明顯不同,側(cè)斜槳的變形量在外半徑區(qū)域的變化較大,使得外半徑的螺距和拱度變化更加明顯。兩槳變形后的螺距和拱度減小,而對(duì)于無(wú)側(cè)斜槳的減少量相對(duì)要小得多。圖8為兩槳在變形前后的水動(dòng)力變化情況,對(duì)于無(wú)側(cè)斜復(fù)合材料螺旋槳,變形使得推力和扭矩減小,減小量分別為2.4%和3.0%,效率增加了0.4%;后側(cè)斜螺旋槳推力和扭矩減小量較大,分別為13.8%和14.4%,效率增加了0.5%。上述比較分析表明:側(cè)斜變化,槳葉變形分布也隨之變化,不僅影響剖面攻角的變化,還會(huì)帶來(lái)剖面翼型的變化;相比無(wú)側(cè)斜槳,后側(cè)斜槳變形更集中于梢部隨邊,從而帶來(lái)更加明顯的水動(dòng)力變化。3.3復(fù)合材料螺釘流固耦合分析螺旋槳剖面是改善螺旋槳性能,特別是空泡、噪聲性能的一個(gè)重要參數(shù),復(fù)合材料螺旋槳剖面的變形將直接影響槳葉表面壓力及流動(dòng)情況。本文比較計(jì)算了采用常規(guī)的NACA剖面和由Eppler方法設(shè)計(jì)剖面的復(fù)合材料螺旋槳流固耦合特性。圖9表示NACA66mod+a=0.8以及Eppler剖面的拱度和厚度分布。相對(duì)NACA剖面,Eppler剖面的最大厚度更靠近導(dǎo)邊,而最大拱度更靠近隨邊,使得槳葉負(fù)荷向隨邊區(qū)域轉(zhuǎn)移。采用上述兩個(gè)剖面的復(fù)合材料螺旋槳保持其他參數(shù),比如厚度,螺距和側(cè)斜等不變。對(duì)兩復(fù)合材料螺旋槳進(jìn)行流固耦合分析,圖10為流固耦合迭代計(jì)算收斂后兩復(fù)合材料螺旋槳的變形分布,對(duì)變形圖的比較可以看出:通過(guò)流固耦合作用后,Eppler剖面螺旋槳的變形更大一些,其最大變形為NACA剖面螺旋槳最大變形的1.15倍,而且兩者表現(xiàn)不同的變形分布。由于Eppler剖面在隨邊區(qū)域厚度較薄,且載荷較大,槳葉的變形更集中于外半徑隨邊區(qū)域。圖11分別為兩槳在變形前后的水動(dòng)力變化情況,對(duì)于NACA剖面復(fù)合材料螺旋槳,變形使得推力和扭矩的減小量分別為6.9%和7.2%,效率增加了0.3%;Eppler剖面螺旋槳推力和扭矩的減小量分別為13.8%和14.4%,效率增加了0.5%,其推力和扭矩的變化量大于NACA剖面螺旋槳,這是由于變形使得螺距及拱度變化量均大于NACA剖面螺旋槳引起的。以上比較分析說(shuō)明:剖面翼型的變化一方面改變槳葉負(fù)荷分布,另一方面槳葉結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化,對(duì)于Eppler方法設(shè)計(jì)剖面,螺旋槳水動(dòng)力負(fù)荷集中在靠近隨邊區(qū)域,而且由于隨邊厚度較NACA剖面螺旋槳更薄,使得螺距和拱度變化較大,從而水動(dòng)力變化更為顯著。4對(duì)復(fù)合泵性能的研究4.1復(fù)合材料槳結(jié)構(gòu)變形性能分析船舶常常工作在多個(gè)航速下,如圖12為某客船工作航速分布圖。針對(duì)某一工作點(diǎn)設(shè)計(jì)的螺旋槳在其他工況下其推進(jìn)性能將會(huì)發(fā)生變化,不能在整個(gè)服役航速中均達(dá)到最佳的性能。另一方面,螺旋槳設(shè)計(jì)師采用調(diào)距的形式進(jìn)行多工況設(shè)計(jì),在多工況下都有較好的工作性能。通過(guò)模擬調(diào)距槳的工作模式,復(fù)合材料螺旋槳具有自適應(yīng)變形能力,在不同的載荷下將產(chǎn)生不同的變形,這為多工況下螺旋槳性能的提高提供了可能。對(duì)采用圖6中的前側(cè)斜分布的五葉復(fù)合材料螺旋槳進(jìn)行了不同工況下(進(jìn)速系數(shù)J=1.1、1.2、1.3,轉(zhuǎn)速n=970r/min)的水動(dòng)力性能在變形前、變形后以及槳在J=1.3時(shí)變形槳葉作為剛性槳的計(jì)算,復(fù)合材料屬性見(jiàn)表1所示。圖13為復(fù)合材料螺旋槳在各進(jìn)速系數(shù)下流固耦合相互作用收斂后幾何,右圖給出了螺距分布變化。從圖中可以看出:復(fù)合材料螺旋槳在各進(jìn)速系數(shù)下的變形均使得螺距變大,而且進(jìn)速越小,負(fù)荷越大,變形量越大,螺距增加也越大。在外載荷作用下,前側(cè)斜螺旋槳變形分布表現(xiàn)為導(dǎo)邊的變形量大于隨邊的變形量,使得螺距增加,而且進(jìn)速系數(shù)越小,導(dǎo)邊區(qū)域的負(fù)荷越大,導(dǎo)邊相對(duì)隨邊變形越大,螺距增加越大。圖14為本文計(jì)算的前側(cè)斜螺旋槳變形前后的水動(dòng)力性能變化情況,圖中也給出了槳在J=1.3時(shí)變形槳葉作為剛性槳在其他進(jìn)速系數(shù)下的計(jì)算結(jié)果。相比未變形自然狀態(tài)的螺旋槳水動(dòng)力性能,變形槳在進(jìn)速系數(shù)下負(fù)荷均增加,而且進(jìn)速系數(shù)越小,槳葉負(fù)荷越大,水動(dòng)力的增加量越大,其中在J=1.3,推力增加量是21%,扭矩增加量是18.9%,到J=1.1時(shí),推力增加量提高到27.9%,扭矩增加量提高到29.2%,變形改變了前側(cè)斜復(fù)合材料螺旋槳效率,在進(jìn)速系數(shù)J=1.3時(shí),變形使得效率增加1.3%。為了比較復(fù)合材料槳與剛性槳的水動(dòng)力性能,圖11給出了復(fù)合材料槳與剛性槳在各進(jìn)速系數(shù)下的水動(dòng)力性能。由于在J=1.3時(shí)剛性槳與變形復(fù)合材料槳幾何一樣,因此推力及扭矩相同。當(dāng)進(jìn)速系數(shù)減小,由于復(fù)合材料螺旋槳相對(duì)變形量增加,因此推力、扭矩將大于剛性槳,而且進(jìn)速越小,這種增加量越大,在進(jìn)速系數(shù)為J=1.1時(shí),復(fù)合材料螺旋槳的推力、扭矩分別比剛性槳大16.7%和17.7%。以上特性說(shuō)明復(fù)合材料螺旋槳通過(guò)變形具有增加低速工況負(fù)荷的能力,因此可應(yīng)用于導(dǎo)管槳以提高低速拖曳力及系泊推力。4.2復(fù)合材料螺釘變形分析螺旋槳工作在船尾伴流場(chǎng)中,在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中由于來(lái)流的非均勻性,槳葉受力不斷地變化產(chǎn)生非定常力,并通過(guò)軸系傳到船體引起振動(dòng)。對(duì)于復(fù)合材料螺旋槳,當(dāng)來(lái)流變化時(shí),變形量隨之變化,表現(xiàn)不一樣的受力特性,因此可通過(guò)精心設(shè)計(jì)復(fù)合材料螺旋槳達(dá)到改善螺旋槳振動(dòng)性能。對(duì)某六葉復(fù)合材料螺旋槳在三種不同來(lái)流進(jìn)速(J=0.66,0.73,0.8,轉(zhuǎn)速n=780r/min)的變形情況進(jìn)行了水動(dòng)力計(jì)算。圖15為三維變形分布及變形前后螺距分布。從圖中可以看出:復(fù)合材料螺旋槳在外載荷作用下發(fā)生了變形,但與圖13中前側(cè)斜螺旋槳不同的是變形后螺距變小,而且進(jìn)速系數(shù)越小,螺距減小量越大,這說(shuō)明當(dāng)螺旋槳伴流增加(對(duì)應(yīng)進(jìn)速減小)時(shí),螺距越小,相應(yīng)的受力越小,與剛性螺旋槳相比,這種變形使得槳葉受力變化幅值呈減小的趨勢(shì),從而可產(chǎn)生降低振動(dòng)的效果。圖16為該復(fù)合材料螺旋槳在各進(jìn)速系數(shù)下的推力和扭矩變化情況,圖中還給出了采用對(duì)應(yīng)各進(jìn)速系數(shù)變形后復(fù)合材料螺旋槳幾何作為剛性螺旋槳的受力變化情況。從圖中可以看出,復(fù)合材料螺旋槳由于在各進(jìn)速下變形量不同,使得復(fù)合材料螺旋槳相對(duì)剛性螺旋槳受力的變化梯度較小,這種自適應(yīng)變形對(duì)推力和扭矩的變化有一個(gè)很好的緩沖作用,因此可提高復(fù)合材料螺旋槳的振動(dòng)性能。5復(fù)合材料螺釘流固耦合作用機(jī)理(1)采用二維機(jī)翼彈性模型可以定性地分析復(fù)合材料螺旋槳流固耦合變形特性,由于槳葉盤(pán)面比一般較大,二維機(jī)翼模型中還需考慮翼型的變化。(2)槳葉幾何對(duì)于復(fù)合材料螺旋槳流固耦合特性影響顯著,除了厚度,槳葉弦長(zhǎng)、側(cè)斜以及葉剖面均會(huì)改變槳葉變形量及分布,從而影響水動(dòng)力性能變化。本文的研究表明:弦長(zhǎng)越長(zhǎng),變形越集中于槳葉外半徑隨邊區(qū)域,從而帶來(lái)更大的水動(dòng)力變化;相比無(wú)側(cè)斜槳,后側(cè)斜槳變形更集中于外半徑隨邊區(qū)域,從而帶來(lái)更加明顯的水動(dòng)力變化;采用Eppler方法設(shè)計(jì)剖面的復(fù)合材料螺旋槳,由于水動(dòng)力負(fù)荷集中在靠近隨邊區(qū)域,而且由于隨邊厚度較NACA剖面復(fù)合材料螺旋槳更薄,使得螺距和拱度變化較大,從而水動(dòng)力變化更為顯著。(3)相比剛性螺旋槳,復(fù)合材料螺旋槳通過(guò)變形具有增加低速工況負(fù)荷能力,因此可應(yīng)用于導(dǎo)管槳以提高低速拖曳力及系泊推力。(4)復(fù)合材料螺旋槳由于變形量的相對(duì)變化,使得復(fù)合材料螺旋槳在來(lái)流變化時(shí),其水動(dòng)力變化比剛性螺旋槳小,這種自適應(yīng)變形對(duì)螺旋槳推力和扭矩的變化有一個(gè)很好的緩沖作用,因此可應(yīng)用于提高螺旋槳的振動(dòng)性能。本文開(kāi)展的關(guān)于復(fù)合材料螺旋槳流固耦合性能的研究工作為后續(xù)的復(fù)合材料螺旋槳優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。其中:θ為機(jī)翼彈性扭轉(zhuǎn)角;θr為攻角為α0條件下,不考慮剖面扭轉(zhuǎn)引起的附加氣動(dòng)力作用下的機(jī)翼扭轉(zhuǎn)角;q為來(lái)流動(dòng)壓,S為機(jī)翼面積,e為氣動(dòng)中心與剛心的距離,剛心在氣動(dòng)中心之后為正,CL為升力系數(shù),Kθ為扭轉(zhuǎn)剛度,MA為繞氣動(dòng)中心的力矩,即與攻角