1、复合材料螺旋桨敞水性能与结构特性研究张丹丹1，张晶2，刘影1，吴钦1，黄彪1，王国玉1（1.北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081；2.北京宇航系统工程研究所，北京 100076）摘要：针对复合材料螺旋桨流固耦合效应显著的特点，本文通过CFD计算复合材料螺旋桨所受水动力载荷，应用有限元方法计算复合材料桨叶结构响应，建立双向流固耦合数值计算方法，研究不同进速系数工况下刚性和复合材料螺旋桨的水动力性能与结构特性。研究结果表明：相较于刚性螺旋桨，复合材料螺旋桨通过弯扭耦合变形实现螺距角与攻角自适应匹配，进而提高推进效率并降低功率损耗；复合材料桨叶的最大总变形和最大等效应力随来流速度的增大而
2、减小，随旋转速度的增大而增大。基于蔡-吴准则对复合材料螺旋桨的失效行为进行判断，蔡-吴失效系数随进速系数的增大而降低，失效区域更容易出现在桨叶叶梢处。关键词：螺旋桨；CFD；流固耦合；复合材料；水动力性能；结构特性中图分类号：TV131.2文献标识码：Adoi:10.3969/j.issn.1007-7294.2023.02.002Numerical investigation on open water performence andstructural characteristics of composite propellersZHANG Dan-dan1,ZHANG Jing2,LIU
3、 Ying1,WU Qin1,HUANG Biao1,WANG Guo-yu1(1.School of Mechanical Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;2.Beijing Institute of Aerospace Systems Engineering,Beijing 100076,China)Abstract:In view of the significant fluid-structure interaction of the composite propeller,the flu
4、id-structurecoupling method was established in this paper,with the hydrodynamic load on composite propellers calculated by CFD and the structural response of composite blades predicted via the finite element method.The hydrodynamic performance and structural characteristics of rigid and composite pr
5、opellers under different advance speed coefficients were studied.The results show that the pitch angle of the composite propeller canadaptively match with the angle of attack,resulting in the propulsion efficiency increase and power loss reduction.The maximum total deformation and equivalent stress
6、of the composite blades decrease with the increase of the incoming flow speed,and increase with the increase of the rotation speed.Based on the Tsai-Wu criterion,the Tsai-Wu coefficient decreases with the increase of the advance speed coefficient,and thefailure area is more likely to appear on the t
7、ip of the blades.Key words:propeller;CFD;fluid-structure interaction;composite;hydrodynamic performance;structural characteristics0 引言船舶螺旋桨大多采用锰-镍-铝-铜（MAB）或镍-铝-铜（NAB）合金制成，尽管此类金属材料具有第27卷第2期船舶力学Vol.27 No.22023年2月Journal of Ship MechanicsFeb.2023文章编号：1007-7294（2023）02-0173-12收稿日期：2022-08-21基金项目：国家自然科学基
8、金资助项目（51839001；51909002；52079004）；北京市自然科学基金资助项目（3204056；3212023）作者简介：张丹丹（1997-），女，硕士研究生；吴钦（1989-），女，博士，副研究员，通讯作者，E-mail:。屈服强度高和可靠性好等优势，但易遭受空泡损伤、腐蚀和疲劳破坏，引起振动和噪声等问题。近年来，由于纤维增强复合材料具有高比刚度、高比强度等优良的力学特性，被广泛用于改善螺旋桨等水力装备在复杂海洋环境下的水动力性能1-3。与传统金属螺旋桨相比，复合材料密度远小于金属材料，能有效实现减重目的4-6，同时研究表明，复合材料螺旋桨可以有效抑制空化初生，减少桨叶空蚀，
9、延长使用寿命。针对螺旋桨水动力性能，国内外学者从理论方法、模型试验和计算流体力学等方面做了大量研究工作。Lerbs7根据对称分布的涡线和涡面速度场理论推导了有限叶片数、任意环量分布下中度负载螺旋桨的升力线法，但是由于强迫叶根和叶梢处环量为零，只适用于中度负载工况，对偏离设计工况较远的区域（低、高进速系数工况）预报误差过大；Yamazaki等8基于升力面法对非均匀流场下的螺旋桨推进性能进行了数值计算研究，结果表明升力面法能有效捕捉螺旋桨尾涡流场结构，但在精确预报螺旋桨桨叶压力分布方面仍存在缺陷；Hoshino等9、Kerwin等10进一步发展了能较为精确模拟螺旋桨复杂结构的面元法，相比于升力线法
10、和升力面法，面元法能更好地预报螺旋桨的流场结构演化；苏玉民等11基于扰动速度势面元法构建了普通桨和大侧斜螺旋桨水动力性能迭代计算模型，计算结果表明叶剖面攻角、压差阻力和转矩系数随进速系数减小而增加。除了理论研究以外，螺旋桨的敞水性能研究还需要依靠模型试验，模型试验的数据结果相对准确直观，更加符合实际，但试验成本较高，并且存在尺度效应。Vladimir等12对一组不同侧斜螺旋桨的尺度效应展开了研究，结果表明模型桨的推力系数小于实桨，模型桨扭矩系数大于实桨，并且在低进速系数下差别更明显；Choi等13运用试验的方法研究了吊舱螺旋桨的尺度效应，结果表明影响吊舱螺旋桨尺度效应的主要因素是吊舱阻力。随着
11、计算机技术的发展应用，计算流体力学法在工程领域应用越来越广。王超等14基于计算流体力学法对DTMB T4119型螺旋桨的敞水性能进行了计算研究，并结合实验进行了对比验证，获得了螺旋桨表面压力以及尾部流场的分布情况；Helal等15结合模型试验对船用螺旋桨的无空化流进行了数值模拟，研究表明在低转速时，流体从层流过渡到湍流状态会影响水动力性能的预测精度；Hasuike等16对小空化数下的船舶螺旋桨水动力性能进行了数值模拟，数值计算结果与试验吻合较好，获得了梢涡空泡导致的螺旋桨压力脉动特性。随着复合材料的发展与应用，传统基于金属桨的数值计算方法不再适用，尤其对于具有复杂结构外形的纤维增强复合材料螺旋
12、桨，桨叶的弹性变形会显著影响螺旋桨的水动力性能。上世纪90年代，Lin17发展了基于势流理论的三维有限元（FEM）流固耦合方法，对复合材料螺旋桨与刚性螺旋桨的叶间变形以及面内弯曲应力进行了数值分析研究；随后，Lin等18进一步研究了不同铺层复合材料螺旋桨桨叶水弹性行为，结果表明改变铺层顺序有助于改善复合材料螺旋桨的水动力性能；Zhang等19采用RANS模型和有限元模型相结合的双向流固耦合算法，对不同进速系数下螺旋桨的扭矩、推力、效率、挠度进行了分析研究，重点讨论了预变形对复材桨性能提高的原因；Liu和Young20采用三维边界元法-有限元法针对复合材料螺旋桨的结构变形和水动力载荷特性进行了分
13、析，获得了复合材料螺旋桨在空间变化尾迹下的流场变化特性；武坤等21结合实验和数值研究了螺旋桨水弹性响应和空化水动力性能，结果表明柔性随边变形导致的卸载作用推迟了桨叶空化初生，有效提高了船舶临界航速，螺旋桨推力和扭矩系数下降，推进效率提高了2%4%。国内外学者针对复合材料螺旋桨的弯扭耦合效应以及载荷自适应行为已经做了大量研究，但对于结合水动力性能和结构特性对多工况条件下复合材料螺旋桨水动力性能及结构响应与失效行为的研究还较少。本研究基于复合材料螺旋桨双向流固耦合数值计算方法，研究不同工况下复合材料螺旋桨的水动力性能及结构响应特性，并基于蔡-吴失效准则对复合材料螺旋桨的失效行为进行分析，为复合材料
14、螺旋桨的设计和制造提供技术支撑。174船舶力学第27卷第2期1 数值计算方法1.1 基本控制方程对于旋转坐标系，流体稳态求解的控制方程可通过质量守恒方程和动量守恒方程表示：uixj=0(1)()uit+()uiujxj=-1pxi+xj|v()uixj+uixj-23ijuixj-uiuj+fi(2)式中，u为速度矢量，为流体密度，p为流场压力，v为动力粘性系数，fi为单位体积质量力。采用标准k-SST湍流模型封闭雷诺时均方程进行湍流计算：DkDt=xi|()+tkkxii+Gk+Gb-YM(3)DDt=xj|()+txii+C1k()Gk+C3Gb-C22k(4)式中，C1、C2、C3均为常
15、数，k和分别为湍流频率和湍动能的普朗特数，k为湍动能，为耗散率，Gk和Gb分别是由平均速度梯度和浮力影响引起的湍动能产生项，YM是可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响，t为湍流粘性系数。复合材料螺旋桨桨叶在外载荷作用下将产生弯扭耦合变形。由于螺旋桨在旋转运动的过程中同时受到水动力载荷和离心力作用22，因此复合材料螺旋桨的变形行为是几何非线性的，其动力学控制方程可以表示为MSX+CSX+KSX=FHE(5)式中，MS为结构质量矩阵，CS为结构阻尼矩阵，KS为结构刚度矩阵，X为结构的加速度矢量，X为节点的速度矢量，X为节点的位移矢量，FHE代表流固耦合作用下结构所受的流场力。1.2 流固耦合计算方
16、法复合材料螺旋桨的流固耦合计算需要同时考虑流场和结构场的求解及流场与结构场之间数据的传递，本研究基于 ANSYS Workbench 平台的System Coupling 模块，采用分步耦合方法计算复合材料螺旋桨的流固耦合特性。计算流程如图1所示。首先对流场进行初值计算；然后通过流固耦合交界面将定常流场初值的压力、速度等数据传递给结构场，进行有限元结构变形求解；随后通过流固耦合交界面将结构场变形等信息传递给流场，根据结构变形进行流场网格更新及流场求解。指定流固耦合计算的收敛准则，即力及位移的残差均小于0.01，每一耦合步内结构场与流场经过子迭代步的不断交叉求解实现计算结果满足收敛标准，完成流固耦合计算。基于该复合材料流固耦合计算方法对复合材料NACA 0009水翼模型的数值计算结果表明，数值预测的升力系数与尖端扭转角与实验结果吻合较好，验证了流固耦合计图1 流固耦合计算求解流程图Fig.1 Flow chart of fluid structure coupling calculationtttalinimaxin+1=in+1第2期张丹丹等：复合材料螺旋桨敞水性能与 175算方法的准
