考虑铺层的复合材料螺旋桨流固耦合计算及验证.pdf

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1、第４３卷第２期船海工程Ｖｏｌ．４３Ｎｏ．２２０１４年４月ＳＨＩＰ＆ＯＣＥＡＮＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＡｐｒ．２０１４ＤＯＩ：１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１-７９５３．２０１４．０２．０１５考虑铺层的复合材料螺旋桨流固耦合计算及验证陈悦，朱锡，周振龙（海军工程大学舰船工程系，武汉４３００３３）摘要：为了验证考虑铺层的复合材料螺旋桨流固耦合算法的正确性，利用ＡＮＳＹＳ／ＣＦＸ软件，对±４５°对称铺层的玻璃纤维增强材料螺旋桨建立流体模型和结构模型，实现双向流固耦合稳态求解，得到不同进速系数下的敞水性能，模型桨敞水试验结果

2、表明，数值计算与试验吻合良好，均满足工程应用的要求，验证了采用ＡＮＳＹＳ／ＣＦＸ双向流固耦合算法计算复合材料螺旋桨的正确性。关键词：桨叶铺层；双向流固耦合；复合材料螺旋桨；敞水性能中图分类号：Ｕ６６４．３３文献标志码：Ａ文章编号：１６７１-７９５３（２０１４）０２-００５７-０５纤维增强复合材料具有高比强度和比刚度，算结果，以试验验证双向流固耦合算法的可靠性。有广阔的应用前景。但复合材料相对刚度较低，在算法可靠性的基础上，进一步分析复合材料螺导致桨叶易变形。且复合材料具有独特的弯扭耦旋桨桨叶的应力分布及变形规律。合效应，

3、不同的纤维方向和铺层顺序，会导致不同１数值计算流程与方法的水动力性能，采用适合的算法以研究考虑铺层工艺的复合材料螺旋桨水动力性能是有必要的。1．1数值计算方法通常通过流体与结构耦合的计算方法得到易文中计算求解程序为ＡＮＳＹＳ／ＡＮＳＹＳ-ＣＦＸ软［１-６］变形螺旋桨的水动力性能。这些方法均是基件，对于考虑铺层的复合材料螺旋桨，考虑到桨叶于面元法，采用势流理论的计算，忽略了流体的粘变形对螺旋桨水动力性能的影响，采用双向流固性作用及旋涡的影响，不能真实地反映流场的状耦合算法。其中，螺旋桨流场的计算采用ＣＦＸ，态。文献［７，８

4、］先后针对特定纤维铺层的复合材结构计算采用ＡＮＳＹＳ结构模块。ＣＦＸ流场计算料螺旋桨，利用ＣＦＤ／ＣＳＤ耦合方式分析了复合和ＡＮＳＹＳ结构计算之间的耦合平台是ＭＦＸ，通材料螺旋桨的性能。文献［９］发展了采用ＣＦＤ／过该平台在流体区域内求解定常流体方程，在固ＣＳＤ耦合方式，建立了双向流固耦合稳态算法，研体区域内求解桨叶结构控制方程。即在每个时间究了桨叶变形对螺旋桨性能的影响。但上述这些步长里，将求解流体方程得到的水动力传递给桨研究分析均未涉及特定铺层的复合材料螺旋桨流叶结构，将求解固体方程得到的叶片位移作为边固耦合算法研究

5、，没有相关的复合材料螺旋桨试界条件传递给流体，然后进行下一步迭代，直至结验验证，因此对于考虑铺层工艺的流固耦合算法果收敛为止。其中，流体收敛准则为ＲＭＳ，收敛精确度及误差裕度有欠缺。判据为０．０００１，结构收敛由耦合程序自动控制。本文对±４５°对称铺层的玻璃纤维增强复合流固耦合的求解基于稳态性能，不考虑瞬态材料模型实桨建立流体模型和结构模型，进行双特性。详细求解流程如下。向流固耦合稳态计算，求得目标桨的敞水曲线。１）分别建立桨叶结构有限元计算模型和水进行模型实桨敞水试验，对比分析试验和数值计动力计算模型，并在桨叶表面指定

6、流固耦合界面，以传递数据载荷。２）指定有限元计算和流体计算的收敛准则。收稿日期：２０１３－０８－１６３）采用数据交换平台，通过流固耦合面将流修回日期：２０１３－１１－２５基金项目：国防基金项目（４０１０４０５０３０１０１）体计算和结构计算耦合起来，指定结构和流体之第一作者简介：陈悦（１９８９－），女，硕士生间数据交换的准则，由软件根据收敛准则自动控研究方向：复合材料螺旋桨制求解数据的传递。E-mail：ｘｉａｏｙｕｅ８６０８＠１６３．ｃｏｍ４）第２步和第３步中计算的数据均收敛后，５７第２期船海工程第４３卷同时输出结构和流

7、体计算结果；若不收敛，增加结构计算和流体计算之间的数据交换次数，直至收敛。具体的实现流程见图１。图3整个流体计算域行加密，且在桨叶近壁面划分边界层网格，以确保准确捕捉螺旋桨叶片旋转过程中流场的主要特＋征。依据经验，以y值在３００以内且网格质量大于０．２为控制标准，确定螺旋桨壁面附近网格大小及边界层的过渡方式和层数。旋转域网格见图４。而静止域采用６面体结构网格进行划分。最终，旋转域划分了约１８３万网格，静止域划分了约５８万网格。流体计算选用ＳＳＴk-ω湍流模型，入口设置为速度入口，出口设置为静压出口，远场设置为自图1双向流

8、固耦合求解流程由面，使用ＧＧＩ技术实现静止域与旋转域的耦合。1．2计算模型目标桨为５叶右旋复合材料模型桨，直径为０．２４ｍ，侧斜角为２７°，毂径比为０．２８０７，桨叶采用±４５°玻璃纤维复合材料制成。利用Ｓｏｌｉｄ-Ｗｏｒｋｓ软件建立三维实体螺旋桨模型，见图２。图4旋转域网格１．２．２结构计算模型采用ＡＮＳＹＳ中提供