一种复合材料螺旋桨的多工况推进性能优化设计方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及复合材料螺旋桨的多工况推进性能优化设计方法。
【背景技术】
[0002] 传统的金属螺旋桨在设计过程中以优先设计常用工况下的推进性能为目标，这个 目标决定了金属螺旋桨的基础型值，其他工况下的推进性能无法实现进一步的优化设计。 而复合材料螺旋桨由于其特殊的弯扭耦合效应，可以通过设计复合材料的铺层，进行多目 标优化，实现金属螺旋桨无法实现的设计目标。
[0003] 复合材料螺旋桨的设计方法有别于传统的金属螺旋桨，金属螺旋桨的设计方法不 再满足于复合材料螺旋桨。目前复合材料螺旋桨的研究还处于起步阶段，复合材料设计过 程主要是基于传统金属螺旋桨，以金属螺旋桨的型值参数为基础，通过设计复合材料的铺 层，实现在设计工况下推进效率与金属桨相同，或者优于金属桨的目标。然而，螺旋桨在实 际航行过程中，还有其他航行工况，尤其对于有低速航行需求的舰船，因此仅仅优化复合材 料螺旋桨在设计工况的推进性能是不够的。若能在保证设计工况下的推进性能同时又能提 高其他工况下的推进性能，则能够有效的提高复合材料螺旋桨的综合推进性能，提高主机 的使用效率，达到节能的效果，延长舰船的航行时间。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了解决现有复合材料螺旋桨设计方法不完善的问题，而提出一 种复合材料螺旋桨的多工况推进性能优化设计方法。
[0005] 上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：
[0006] 步骤一、开始；
[0007] 步骤二、确定复合材料螺旋桨设计进速/下的螺距值ρ,，其中i = 1，2......η，n为复 合材料螺旋桨的径向半径数，取值为正整数；
[0008] 步骤三、采用面元法确定金属螺旋桨在设计进速为J1时，0.75R处叶剖面的来流角 度 9〇.75R;
[0009] 步骤四、计算金属螺旋桨主桨叶0.75R处叶剖面最大推进效率的来流攻角aQ.75R;
[0010] 步骤五、根据步骤三和步骤四确定金属螺旋桨在设计进速为J1时，〇. 75R处叶剖面 达到最大推进效率的几何螺距角θ1;
[0011] 步骤六、根据步骤五确定复合材料螺旋桨在设计进速J1，到达高于金属螺旋桨推 进效率的几何螺距角θ 1;
[0012] 步骤七、根据步骤二选取复合材料铺层角度和顺序；
[0013] 步骤八、根据步骤七设计出复合材料螺旋桨的初始几何；
[0014] 步骤九、根据步骤八计算复合材料螺旋桨在进速J1时的几何螺距角Θ/ ;
[0015] 步骤十、根据步骤六和步骤九判断螺距角| θ/ -θ: I，若I θ/ -θ: I 2 0.1°，则执行步 骤七;若IΘ/ 41 <0.1°，则结束。
[0016] 发明效果
[0017] 在原有金属螺旋桨的基础上，利用复合材料的可设计性，通过设计铺层角度结合 初始几何的方式设计出一种复合材料螺旋桨，并使该螺旋桨在设计工况下和一个或多个其 他工况均有较高的推进效率，实现复合材料螺旋桨的高效性。在保证设计进速推进性能高 效同时，使舰船在其他状态航行时仍表现出较高推进性能。螺旋桨使用的材料为复合材料 (碳纤维或者玻璃纤维）。
[0018] -种复合材料螺旋桨的多工况推进性能优化设计方法，涉及一种螺旋桨的优化设 计方法，多工况指包含设计工况(设计进速)和除设计工况外的一个或者多个工况(进速）， 螺旋桨采用复合材料(碳纤维或者玻璃纤维）。以金属螺旋桨的型值参数为基础，确定复合 材料螺旋桨在设计工况下的几何螺距，利用面元法设计出在除设计工况外的一个或者多个 工况下有较高推进性能(推进效率)的复合材料螺旋桨几何螺距，通过复合材料螺旋桨初始 几何设计和材料铺层角度设计，使复合材料螺旋桨在水动载荷作用力下实现预期螺距分 布。
[0019] 通过预先设计多工况复合材料螺旋桨可达到较高推进效率的几何螺距，利用复合 材料弯扭耦合特性使其在相应水动载荷作用下发生预定扭转变形，实现复合材料螺旋桨多 工况推进性能提升的目的。
[0020] 通过预先确定复合材料螺旋桨在设计工况和其他工况下的几何螺距值，使复合材 料螺旋桨不仅仅在设计工况下有较高的推进效率，在其他航行工况下均有高于金属螺旋桨 的推进效率，提高了复合材料螺旋桨的综合推进性能。
[0021] 判断螺距角| θ/ -θ: I，若I θ/ -θ: I 2 0.1°，则选取复合材料铺层角度和顺序;设计 出复合材料螺旋桨的初始几何;计算复合材料螺旋桨在进速J1时的几何螺距角Θ/ ;改变复 合材料铺层角度和顺序，重新计算复合材料螺旋桨的初始几何;若IΘ/ -θ: I <〇. 1°，则结束。
【附图说明】
[0022]图1为本发明流程图；
[0023]图2为金属螺旋桨主桨叶0.75R处叶剖面与来流之间夹角示意图。
【具体实施方式】
[0024]【具体实施方式】一:结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种复合材料螺旋桨的 多工况推进性能优化设计方法，具体是按照以下步骤制备的：
[0025] 步骤一、开始；
[0026] 步骤二、确定复合材料螺旋桨设计进速f下的螺距值ΡΛ其中i = l，2……n，n为复 合材料螺旋桨的径向半径数，取值为正整数；
[0027]步骤三、采用面元法确定金属螺旋桨在设计进速为J1时，0.75R处叶剖面的来流角 度 9〇.75R;
[0028] 步骤四、计算金属螺旋桨主桨叶0.75R处叶剖面最大推进效率的来流攻角aQ.75R;
[0029] 步骤五、根据步骤三和步骤四确定金属螺旋桨在设计进速为J1时，0.75R处叶剖面 达到最大推进效率的几何螺距角θ 1;
[0030] 步骤六、根据步骤五确定复合材料螺旋桨在设计进速J1，到达高于金属螺旋桨推 进效率的几何螺距角θ1;
[0031 ]步骤七、根据步骤二选取复合材料铺层角度和顺序；
[0032]步骤八、根据步骤七设计出复合材料螺旋桨的初始几何；
[0033]步骤九、根据步骤八计算复合材料螺旋桨在进速J1时的几何螺距角0/ ;
[0034] 步骤十、根据步骤六和步骤九判断螺距角| θ/ -θ: I，若I θ/ -θ: I 2 0.1°，则执行步 骤七;若|91/-01|<〇.1°，则结束；
[0035] 多工况指包含设计工况(设计进速)和除设计工况外的一个或者多个工况(进速）， 多个是指两个或者两个以上。
【具体实施方式】 [0036] 二:本实施方式与一不同的是:所述步骤二中确定复 合材料螺旋桨设计进速f下的螺距值Ρ，，其中i = l，2……n，n为复合材料螺旋桨的径向半 径数;具体过程为：
[0037] 以金属螺旋桨的几何型值为基础参数，金属螺旋桨的设计进速为/，径向螺距值 为口^，其中i = l，2……n，n为金属螺旋桨的径向半径数;将金属螺旋桨的径向螺距值p，确 定为复合材料螺旋桨设计进速f下的螺距值Ρ:%复合材料螺旋桨在设计进速为f时发生扭 转变形后的螺距值为Ρ^)。
[0038] 其它步骤及参数与【具体实施方式】一相同。
[0039]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二不同的是:所述步骤三中采 用面元法确定金属螺旋桨在设计进速为J1时，0.75R处叶剖面导边前缘的来流角度;具体过 程为：
[0040]以格林公式为基础，利用Fortran语言编写金属螺旋桨面元法程序，根据金属螺旋桨速 度场的求解模型
[0041 ]求解金属螺旋桨速度场4jtV(p)，根据金属螺旋桨速度场43iV(p)求解金属螺旋桨所 在流域的扰动速度V(p);
[0042] 其中，p为流场任意点，V(p)为金属螺旋桨所在流域的扰动速度，Q为螺旋桨表面上 的点，供为扰动势，△於为速度势跳跃，Vo为来流速度，n Q为Q点法向向量，Rpq为点p与点Q之间 的距离，Ss为螺旋桨桨叶面， Sw为螺旋桨尾涡面，S为积分面，Qi为尾涡面上的点，％为点&