復合材料螺旋槳強度評估方法研究

楊文志，朱　錫，陳　悅，裴秋秋（海軍工程大學 艦船工程系，湖北 武漢 430033）

復合材料螺旋槳強度評估方法研究

楊文志，朱錫，陳悅，裴秋秋
（海軍工程大學 艦船工程系，湖北 武漢 430033）

為實現對復合材料螺旋槳強度進行準確的評估，本文基于 Hashin 強度準則對特定鋪層的螺旋槳在設計工況水動力載荷下進行強度評估；鑒于模擬螺旋槳所受水動力載荷具有很大的局限性，開展等效集中力研究；靜強度試驗表明，有限元計算結果與試驗結果吻合較好，各測點處應變均呈線性增長，有效佐證了強度評估方法的可靠性。

復合材料；螺旋槳；強度評估

0　引　言

纖維增強復合材料具有高的比強度和比剛度，耐腐蝕性能和抗疲勞強度好，具有較好的材料阻尼特性及減少全壽命周期費用等優勢。最重要的是與金屬材料最大的不同點纖維增強復合材料具有可設計性，即可利用纖維增強復合材料具有的各向異性和剛度耦合特性，依據結構的工作狀況，合理地安排纖維的方向和鋪層順序及層數比，以自適應調整結構的變形，使結構以性能最佳的狀態工作。近年來，隨著對復合材料研究的深入，復合材料螺旋槳的應用價值也大大體現，強度評估技術是復合材料螺旋槳應用的重要保障，因而為加快復合材料螺旋槳早日在船舶上的實際應用，開展復合材料螺旋槳的強度評估研究具有重要意義［1］。

目前，關于復合材料螺旋槳的強度評估方面的相關研究較少，針對復合材料螺旋槳的相應強度校核準則還沒有形成一個成熟的理論體系，因此必須充分借鑒現有常規金屬槳的校核評估方法。關于金屬螺旋槳強度的校核方法國內學者做了一些有意義的工作，張遠雙［2］基于《鋼質海船入級與建造規范》對螺旋槳的要求，開發了 AUTO CAD VAB 船舶螺旋槳參數化強度計算方法及相關程序。王玉華［3］結合大側斜螺旋槳自身的特點，編制了適用其強度計算的有限元程序HPROAP。以上 2 種方法是直接在有限元軟件中對螺旋槳槳葉進行加載，但槳葉上流場分布計算繁復，載荷的施加較為困難，也無法保證精度。隨著流固耦合技術的發展，可跳過計算槳葉壓力場分布，直接進行螺旋槳的結構強度計算與分析，這樣不僅降低了工作量，而且在一定程度上能提高計算精度。朱俊飛等［4］在 Pro/E 中建立導管螺旋槳的三維實體模型，并分別在 Fluent 和 CFX 中進行水動力計算，之后利用 CFX 平臺進行流固耦合計算，得到結構強度分析結果。劉竹青等［5］將流體力學中的面元法和結構動力學中的有限元法相結合，通過對 40 個實槳的靜強度計算，推薦螺旋槳強度校核安全系數為 12.0，安全系數的下限值不能小于 8.8。對于傳統螺旋槳強度計算，采用流固耦合方法考慮到流體與結構的相互作用，較好地模擬了螺旋槳的水動力情況，提高了計算槳葉應力分布的精度，這對于易變形的復合材料螺旋槳來說也是適用的。H.J.Lin 等［6］利用非線性水彈性方法，基于Hashin強度準則分析評估了平衡對稱鋪層和非對稱鋪層的復合材料螺旋槳槳葉的強度，指出尤其要關注槳葉導邊、隨邊的層間破壞。José Pedro Blasques［7］將 Tsai-Wu 強度準則加入設計的水彈性方法中，通過分析認為復合材料槳葉導邊和靠近槳榖根部區域為強度的關鍵區域，破壞模式為基體拉伸和面內剪切破壞，可通過調整鋪層順序和改變鋪層角度，降低 Tsai-Wu 最大破壞系數，改善復合材料螺旋槳的承載能力。總的來說，關于復合材料螺旋槳強度評估方法研究較少，上述學者的研究也均未對提出的評估方法給予可靠的實驗佐證。

本文首先基于 Hashin 強度準則對特定鋪層的螺旋槳進行了強度評估，通過分析特定鋪層角度下螺旋槳可能出現的失效模式及位置，找出螺旋槳強度的關鍵區域。進而依據應力等效原則，開展了螺旋槳所受水動力載荷等效集中力載荷研究，最后對樹脂傳遞工藝成型的復合材料螺旋槳模型進行靜強度加載試驗，有效驗證了復合材料螺旋槳強度評估方法的可靠性。

圖1　槳葉幾何模型Fig. 1　Blade geometry

圖2　芯材幾何模型Fig. 2　Core geometry

圖3　有限元網格Fig. 3　Finite element mesh

1　復合材料螺旋槳強度分析

1.1有限元模型及鋪層

計算對象為夾芯結構的 1∶3 縮比復合材料螺旋槳槳葉，半徑為 475 mm，采用 Solidworks 軟件建立槳葉的三維幾何圖形。

有限元模型采用六面體單元劃分網格，為方便纖維鋪層計算，在槳葉厚度方向僅劃分一個網格，整個槳葉共劃分約 400 個單元，網格劃分如圖3 所示。模型的載荷為由面元法計算所得設計工況下的水動力載荷，以集中靜壓力載荷的方式加載在模型上，如圖4所示。

圖4所示的表面為葉背，是吸力面，方向為葉背的正法線方向，葉面為壓力面，方向為葉面的負法線方向。模型的邊界條件為槳葉根部固支。螺旋槳采用SW220 高強玻璃纖維鋪設，主要材料參數為 E11= E22= 18.22 GPa，E33= 6 GPa，ν12= 0.12，ν13= 0.3，ν23= 0.3，G12= G13= 6.75 GPa，G23= 3 GPa。芯材采用 H100泡沫，密度為 100 kg/m3，耐壓強度為 2 MPa，拉伸強度為 3 MPa，纖維鋪設時取槳葉的葉面參考線為纖維的 1 方向，厚度方向（從葉面指向葉背）為 3 方向。鋪向角 θ 如圖5 所示。建模時將每 1 個單元視為一個層合板，每層的厚度按照指定的比例劃分。

圖4　載荷與邊界條件Fig. 4　Loads and boundary conditions

圖5　鋪層示意圖Fig. 5　Overlay schematic diagram

1.2Hashin 失效準則

Hashin 失效準則不僅給出了材料失效的條件，而且給出了材料失效的模式。二維 Hashin 失效準則的形式如下：

式中：σ11，σ12，τ12為復合材料層合板單層板的正應力和剪應力；XC，XT，YT，YC，SL，ST為復合材料層合板的 6 個強度參數；α 為材料的非線性因子。

1.3校核結果分析

依據 Hashin 強度準則進行復合材料螺旋槳的結構強度評估，可直觀判斷該鋪層下槳葉易出現的失效模式及失效位置。其中 HSNFCCRT，HSNFTCRT，HSNMCCRT，HSNMTCRT 分別表示纖維拉伸失效、纖維壓縮失效、基體拉伸失效、基體壓縮失效。對于目標槳由圖6 可直觀看出，4 種失效模式的最大Hashin 失效因子分別為 5.939 × 10-1，2.373 × 10-1，2.941 × 10-1，4.361 × 10- 1，均小于 1，可知在設計工況水動力載荷下，該復合材料螺旋槳的結構強度滿足要求，且留有一定的裕度。通過 4 種失效模式的對比可知，發生概率較大或最先出現的失效模式為沿材料主方向的纖維拉伸失效，出現的位置為葉根處，分析原因可知螺旋槳為懸臂梁結構，在水動力載荷作用下，葉根處產生較大應力，容易出現纖維拉伸失效。此外，沿材料主方向的基體壓縮失效也容易出現失效模式，出現的位置為纖維布與泡沫夾芯交接處，大約位于 0.7半徑處，產生這種現象的原因與槳葉的大側斜形狀和螺旋槳的工作原理有關。由于槳葉梢部向隨邊側斜較大，導致隨邊在 0.7 半徑處彎曲較大，易出現應力集中，且此處又為夾芯泡沫與纖維布的交界處，在水動力載荷的作用下，考慮彎扭耦合效應，容易發生基體的壓縮失效。

2　等效集中力研究

由于槳葉受到的水動力載荷既不是常規的均布載荷，也沒有呈現一定的函數分布，無簡單規律可循，因此在目前結構強度試驗條件下，精確模擬復合材料螺旋槳槳葉所受水動力載荷具有很大的局限性。復合材料螺旋槳槳葉類似于懸臂梁結構，通過 Hashin 強度準則對槳葉強度進行評估可知，葉根處產生較大的應力，為槳葉強度的關鍵區域，則可近似認為只要葉根剖面處應力大小一致，則通過設計工況下水動力載荷加載槳葉和集中力載荷加載槳葉對槳葉強度影響是一致的，從而可以達到簡化試驗加載條件，驗證復合材料螺旋槳強度評估方法可靠性的目的。圖7 給出了在水動力載荷作用下槳葉的應力云圖。通過云圖可知，此時葉根處為應力出現最大的位置，大小為 2.673 × 105Pa。通過有限元加載試算可知當集中力為 7.5 kN 時加載位置為在葉面的 r/R = 0.75 半徑處距導邊 4/7 處，葉根處的最大應力為 2.893 × 105Pa，則根據上述計算可以認為 7.5 kN 的集中力載荷與設計工況下的水動力載荷對螺旋槳強度影響相同。

圖6　目標槳失效模式比較Fig. 6　Comparison of target propeller failure modes

圖7　兩種載荷應力對比Fig. 7　Comparison of the two load

3　模型槳成型工藝與靜強度試驗

3.1模型槳成型工藝

模型槳為上述計算槳，基體樹脂采用 430 LV 乙烯基酯樹脂、固化劑為 LC 低放熱型固化劑。具體鋪布順序為表面氈一層 ｛± 455/015/C6/015/± 455｝。考慮到欲制備的模型槳尺寸較大采用 RTM 成型工藝制作具體的流程包括模具的制備、噴涂膠衣、鋪布（包括泡沫芯材的放置）、合模、注料成型、后固化及脫模。

3.2測點布置及加載方式

由于采用 RTM 工藝加工成型的復合材料螺旋槳為夾芯結構，在纖維布與泡沫芯材交接的部位勢必容易出現較大的層間應力，同時在約 r/R = 0.6 半徑處由于側斜使得該處在離心拉力和旋轉阻力的作用下產生較大的彎曲和扭轉變形，且隨邊的厚度較薄，該截面處的抗彎剖面模數較低，所以極易在隨邊處產生撕裂，因而也需要考究此處的應力-應變情況。

具體的測點布置如圖8 所示。其中葉面布置 7 處測點，分別在葉根的導邊、中部和隨邊處布置 3 處測點（即圖8 中的 1#，2# 和 3# 測點），在 r/R = 0.6 半徑處的導邊和隨邊處布置了 2 處測點（4# 和 7# 測點）。另外，在泡沫夾芯與纖維布交接處布置了 2 處測點（即圖8 中的 5# 和 6# 測點）；由于葉背相對于葉面的受力較小，故在槳葉葉背上僅布置 3 處測點，分別布置在葉根的導邊和中部，即圖8 中的 8# 和 9# 測點，以及 r/R = 0.6 半徑的隨邊處的 10# 測點，所有測點方向均沿槳葉的徑向。

圖8　測點布置示意圖Fig. 8　Measuring points layout diagram

試驗地點為海軍工程大學結構與材料試驗室，試驗設備為電子萬能試驗機，加載方式為垂直加載，加載速度為 1 mm/min。集中力的加載位置同等效集中力的位置一致，在葉面的 r/R = 0.75 半徑處距導邊 4/7 處。同時為了能夠全面的反應實驗結果，選取距導邊 2/7、3/7 和 4/7 處的 3 個位置作為加載點進行試驗加載。試驗開始從 1 kN 開始加載，分 8 次逐次遞增加載到8 kN。在加載過程中需要注意的是，試驗開始時首先應緩慢加載、卸載，以釋放槳葉內部的殘余應力。

3.3試驗結果與仿真結果對比

為有效驗證復合材料螺旋槳強度評估方法的有效性，在 Abaqus 仿真計算中設置復合材料螺旋槳的載荷大小及加載方式均與試驗情況相同，從而保持有限元計算結果與強度試驗所測結果的一致性。圖10 給出仿真計算結果與強度試驗所測得各測點應變的對比，其中，虛線表示試驗測量的數據，實線代表仿真計算的數據。

圖9　試驗實施過程Fig. 9　The test process

由圖10 可以看出，將有限元計算所得的結果與試驗值所測得的結果對比最大偏差為 17.12%，出現在葉面上位于葉根的導邊處的 3# 測點，這主要是由于在加載力的作用下，槳葉模型除了產生一定的彎曲變形，還會產生一定的扭轉變形，導致槳葉向隨邊方向發生某種程度的滑移，不能保證完全垂直加載，使得實際試驗所測得的結果與有限元仿真的結果出現偏差。總的來說，通過有限元計算所得的各測點對應的應變分量均與試驗值所測得的各測點對應的應變量吻合較

圖10　各測點的試驗值與有限元結果對比Fig. 10　Comparison of experimental and calculated results

好，各曲線的分布趨勢基本一致，平均誤差為 9.15%，滿足工程上的要求。各測點處的應變的絕對值均隨著載荷的增加呈線性增長，當最大載荷加載到 8 kN 時各測點應變均在彈性范圍內，槳葉也未發生破壞，充分驗證了上述有限元方法評估槳葉強度的可信性。

4　結　語

1）夾芯結構復合材料螺旋槳在水動力載荷作用下應重點關注槳葉根部以及夾芯泡沫與纖維布交接處的強度。

2）本文對等效集中力原則進行了初步探究，認為可通過關鍵強度區域應力等效原則將設計工況下水動力載荷等效為集中力載荷，從而可以達到簡化試驗的目的。

3）強度試驗結果表明，有限元計算所得的各測點對應的應變分量均與試驗值所測得的各測點對應的應變量吻合較好，各曲線的分布趨勢基本一致，當最大載荷加載到 8 kN 時各測點應變均在彈性范圍內，槳葉未發生破壞，充分驗證了基于 Hashin 強度準則對槳葉強度進行評估的可靠性。

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Reaearch on the evaluation method of propeller-strength composite materials

YANG Wen-zhi， ZHU Xi， CHEN Yue， PEI Qiu-qiu
（Department of Naval Architecture Engineering， Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China）

In order to realize an accurate assessment of the strength of the propeller， firstly， the strength of the assessment about propeller of specific overlay under hydrodynamic loads was conducted ，which was based on the Hashin strength criterion .Then， given that the simulation of propeller under hydrodynamic load was of great limitation， the equivalent concentrated force was studied. Lastly， the static strength experiment shows the finite element calculation results have good agreement with the test results. In addition， the strain of every measuring point increased linearlywhich effectively supported the reliability of the strength.

composite；propeller；strength evaluation

U664.33

A

1672-7619（2016）05-0030-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.05.007

2015-09-14

國防“十二五” 預研基金資助項目

楊文志（1991-），男，碩士研究生，研究方向為船用復合材料與應用工程。