半转叶片推进器叶片结构设计与模态分析

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1、V01．26No．1安徽工业大学学报(自然科学版)第26卷第1期January2009J．ofAnhuiUniversityofTechnology(NaturalScience)2009正1月文章编号：1671—7872(2oo9)01-0069-04半转叶片推进器叶片结构设计与模态分析张玉华，王恩束，王珩。路曼(安徽工业大学机械工程学院，安徽马鞍山243002)摘要：针对新型流体推进器，提出叶片结构的设计准则，分析叶片结构参数确定的方法。基于ANSYS环境，建立两种叶片(直翼和S型)的有限元模型，分析比较两种结构叶片在质量、迎流面积相同条件下

2、的自由模态。计算结果揭示了直翼和s翼叶片的模态分布规律，为优化叶片结构和进一步分析叶片动力响应奠定了基础。关键词：流体推进器；半转叶片推进器；叶片设计；模态分析中图分类号：TH11文献标识码：AStructuralDesignandModalAnalysisofBladesofHalf-RevolutionBladePropellersZHANGYu-hua，WANGEn-shu，WANGHeng，LUMan(Scho01ofMechanicalEngineering，AnhuiUniversityofTechnology，Ma'anshan24

3、3002，China)Abstract：Thedesigncriterionsofbladesforanewkindoffluidpropellers，calledHalf—RevolutionBladePropeller(HRBP)，wereproposedandanapproachtodeterminationofthestructuralparametersoftwonewkindsofbladeswasdescribedindetail．TheFEmodelsoftwoblades，straightbladeandSblade，weree

4、stablishedbasedonANSYS．Theresonancefrequenciesandmodeshapesoftwodesignedblades，whicharedifferentinstructurebutsameinmassandfluidapplyingarea，wereinvestigatedtorevealthedistributionofthedynamicpropertiesofthetwobladesforoptimizingthebladestructureandfurtherdeterminingthestruct

5、uralresponsetoaninputexcitation．Keywords：liquidpropeller；half-revolutionbaldepropeller；bladedesign；modalanalysis半转叶片推进器是基于半转机构而产生的新型仿生流体推进器【l】，当主轴运动为转动时，叶片在流体中的非均匀运动能够产生定向推力输出，其主推力正比于推进器输人转速的平方，且主推力的方向能快速调节，与螺旋浆推进器相比，具有较高的推进效率，因而具有很好的开发应用前景。叶片是该推进器的关键零件，不同于普通的转子，作用在叶片上的流体动力和离

6、心力对叶片轴的径向分布是不均匀的，且它们的大小是推进器工作转速的非线性函数，因此，叶片的结构设计既要考虑叶片的造型以提高叶片与流体的作用效果，又要考虑叶片的可靠性和结构稳定性以提高推进器的工作转速。分析该类推进器叶片的结构设计，探索合理的设计准则，设计满足准则的可行结构，分析叶片的结构参数，揭示不同结构叶片的模态分布规律，为优化叶片结构和进一步分析叶片动力响应奠定基础。1叶片结构设计准则半转叶片推进器的推力和推进效率不仅决定于叶片的运动参数，而且决定于叶片的布置、叶片造型和结构参数，而叶片的结构设计与推进器的工作原理密切相关。图1是一种叶片对称布

7、置的半转叶片推进器t2]，其工作机构是两自由度的闭环机构，两个输人运动(主轴3转动和控制轴7转动)既能同时作用又能单独作收稿日期：2008—09一l1基金项目：安徽省自然科学基金(07o4l4155)和安徽省教育厅自然科学基金资助项目(KJ2OO7A107ZC)作者简介：张玉华(1961一)，男，江苏海f3A-，教授，博士。第1期张玉华等：半转叶片推进器叶片结构设计与模态分析71改变叶片的质量、强度和刚度，能获得满足上述设计准t，则的多种可行方案。S翼叶片是一种翼型断面为S形的腹板和筋板组J一．氧{，(合而成的叶片，如图3所示。腹板是由多段圆弧面

8、组成的直纹曲面，直纹平行于轴线，筋板垂直于腹板，形成一■一]广⋯IIl。一一反对称结构。其质量分布对称于自转轴线，质心位于l¨1．———