復合材料鋪層角度對螺旋槳受力特性影響分析

秦天騰，丁永樂，郭 君，蔡衛軍，韓新波，譚 坤

(中國船舶集團有限公司 第七〇五研究所，陜西 西安 710077)

0 引 言

螺旋槳是一種為水下航行器提供穩定高航速的動力推進裝置，隨著航行器靜音化的需求，新型螺旋槳研制多為復合材料。與傳統的金屬合金螺旋槳相比，復合材料螺旋槳通常由多層具有一定纖維角度織物堆疊而成，具有高比強度、高阻尼等特性，可大幅降低螺旋槳的重量和轉動慣量，自適應船尾伴流場變化，提高推進效率和改善槳葉空泡性能以及材料阻尼特性，并減弱螺旋槳與軸系耦合振動，從而達到降低螺旋槳輻射噪聲的目的。螺旋槳在大載荷下工作時，所處工況條件會在一定范圍內不斷發生變化，槳葉會產生多種彎曲扭轉變形，對螺旋槳推進及噪聲性能產生影響，通過調整復合材料鋪層角度，可改善螺旋槳在多種工況下的適應能力。

研究復合材料鋪層角度對宏觀特性影響規律時，多數采用流固弱耦合數值模擬法，該方法已發展較為充分[1]。胡曉強[2]基于復合材料螺旋槳流固耦合自迭代算法，構建槳葉彎扭剛度數值計算方法，結果表明，復合材料螺旋槳單槳葉推力系數及其推力系數差值與槳葉剛度之間呈現出較為同步的變化規律。洪毅等[3]運用基于RANS 方程計算流體力學法與CFD 相結合的方法，設計了一個碳纖維復合材料螺旋槳槳葉，對其水動力載荷進行分析計算，根據載荷對其結構和鋪層參數進行優化。劉影等[4]基于CFD 計算復合材料螺旋槳水動力性能，應用有限元法計算槳葉結構響應，建立了復合材料螺旋槳在均勻來流下的雙向流固耦合數值模擬方法。黃政[5]采用面元法結合有限元法的流固耦合算法，利用Abaqus 軟件研究纖維鋪層對復合材料螺旋槳變形規律的影響，得出纖維鋪層在標準工況下發生改變時，螺旋槳側斜、縱傾和螺距的變化規律。楊光[6]通過比較不同材料螺旋槳的流固耦合特性可得，纖維復合材料影響螺旋槳水動力性能和結構特性，通過優選鋪層方式以及材料能夠有效地提高螺旋槳效率。丁永樂[7]建立了適用于基于粘流的復合材料螺旋槳流固耦合數值方法及設置，分析了該方法的不確定性，并使用工程算例對方法進行了驗證。

以上研究多以提高設計工況下的推進性能為主，雖然證明了其他非設計工況下的推進效率有所改善，但是并未對多個工況進行綜合優化設計。本文以P4119槳為例[8]，針對鋪層角度在大載荷下2 種工況（進速系數為0.833、進速系數為0.5）下對其變形情況影響規律的問題，采用流固耦合數值模擬方法，計算不同鋪層角度時復合材料螺旋槳的力學性能。從彎曲扭轉變形、應力分布、推力系數、扭矩系數與效率等方面得到了復合材料鋪層角度對螺旋槳受力特性的影響規律。

1 復合材料螺旋槳物理模型

1.1 螺旋槳結構

針對P4119 槳進行復合材料建模，其幾何參數如表1 所示。首先建立該螺旋槳的三維模型，如圖1 所示。

圖 1 P4119 槳幾何模型Fig. 1 The model of P4119 propeller

1.2 復合材料螺旋槳建模

復合材料螺旋槳對結構剛度有較高要求，常采用增強纖維制造而成。本文采用環氧碳纖維材料進行復合材料建模，其主要材料參數如表2 所示，建模流程如下：

表 1 螺旋槳幾何參數Tab. 1 Propeller geometric parameters

表 2 復合材料參數Tab. 2 Composite material parameters

步驟1生成槳葉拱弧面。將吸力面與壓力面各單元坐標取平均得到拱弧面，再對其生成四邊形網格，得到鋪層基準面，如圖2 所示。

步驟2導入推進器外輪廓。將推進器進行面分解處理，再將吸力面與壓力面導入，作為切割輪廓。

步驟3設置鋪層基元。基于各項異性材料，纖維布編織厚度設為0.2 mm，纖維角度設置為0°，以鋪層單元由6 層纖維組成。

步驟4設置鋪層方向。以葉根中心作為參考點，以單元法線為參考，同時向吸力面與壓力面2 個相反的方向作為鋪覆方向進行纖維布堆疊。如圖3 所示，靠近豎直方向箭頭為復合材料厚度的鋪敷方向（垂直于中面），水平箭頭為鋪層角度的參考方向（推進器槳轂正切向方向），斜向右上方箭頭即鋪層角度方向。為保證各槳葉的結構性能相同，各槳葉的鋪層方向和層數均需保持一致。

圖 2 槳葉拱形面網格劃分Fig. 2 Meshing of blade arch surface

圖 3 纖維鋪層參考坐標系Fig. 3 Fiber layering reference frame diagram

步驟5生成實體單元。將鋪層基元進行堆疊，吸力面與壓力面方向各鋪設9 層，生成產品鋪層，如圖4(a)所示。鋪覆時選擇導入輪廓形成的切割規則對分析鋪層進行切割，按幾何厚度對纖維鋪層進行裁剪，長纖維位于內層，鋪層層數由所在區域厚度所決定，最終所有鋪層形成了中間厚、邊緣薄的槳葉形狀，如圖4(b)所示。再將一層0°纖維布貼附于切割后的槳葉輪廓上，使其表面光滑，即完成復合材料螺旋槳建模工作，如圖4(c)所示。

圖 4 建立復合材料槳葉模型Fig. 4 A composite blade model was established

2 流固耦合計算方法

2.1 流固耦合數值方法

本文用CFD/FEM 雙向流固耦合方法研究其力學性能與水動力性能。如圖5 所示，計算時，螺旋槳表面載荷由CFD 隱式求解計算得出，作為輸入值傳遞到有限元部分，結構部分將計算得出的槳葉變形數據傳遞到流體部分并更新流場網格，進行下一個時間步計算。

圖 5 流固耦合計算過程示意圖Fig. 5 Schematic diagram of fluid-structure interaction calculation process

其中剛強度模型的動力學平衡方程可以表示為：

式中： [Ms] 為結構質量矩陣；[Cs]為結構阻尼矩陣；[Ks]為 結構剛度矩陣；u(t) 為t時刻結構位移；Fctt(t)為t時刻整個系統所受外力。

通過求解RANS 方程可得到螺旋槳槳葉各處壓力分布值，其控制方程為：

2.2 流固耦合模型建立

螺旋槳槳葉的吸力面與壓力面設置為流固耦合面，螺旋槳槳葉根部設置為固定約束，結構體采用實體單元SOLID185，如圖6 所示。

圖 6 槳葉受力約束圖Fig. 6 Diagram of blade force constraints

假設不考慮水深對推進器性能的影響，流體域整體分為旋轉域與靜止域。旋轉域為包絡推進器的圓柱形區域，半徑0.25 m，進口距推進器0.2 m，出口距推進器0.2 m，靜止域為圓柱形區域，半徑1 m，進口距推進器1 m，出口距推進器3 m，最終，計算域劃分如圖7 所示。

圖 7 計算域尺寸Fig. 7 Computing domain size

復合材料推進器在大載荷條件下工作時易產生較大變形，需要對槳葉梢部周圍區域的網格進行重新劃分，因此旋轉域采用非結構網格，靜止域采用結構網格。在流固耦合交界面處，導邊與隨邊進行局部加密處理，增加邊界層，提高計算精度。具體參數見文獻[9]。

流體部分湍流模型選取SSTk-ω標準壁面函數模型[10]，具體參數設置如表3 所示。流體域進口邊界設為來流速度，出口邊界設為0 Pa（相對環境的壓力），流場邊界設為自由滑移壁面，葉片和槳轂設為無滑移壁面，旋轉域轉速設為推進器轉速。旋轉域采用多重參考網格法進行分析，其與靜止域交界面通過可實現數據處理與交換的網格交界面（GGI）技術進行連接，螺旋槳吸力面與壓力面設置為動網格區域以適應迭代過程中槳葉的變形，求解方法設為Coupled以加速收斂，收斂殘差設為1×10?6。

表 3 計算工況設置參數表Tab. 3 Propeller shape and material parameter table

2.3 模型驗證

根據前面的流固耦合模型進行計算，將得到的結果與文獻中的試驗結果[11]和數值模擬結果[12]進行對比驗證，如圖8 所示。

圖 8 敞水性能對比圖Fig. 8 Open water performance comparison diagram

可以看出，模擬所得到的敞水性能結果與文獻中的試驗結果性能曲線趨勢相同，在低進速系數時吻合得比較好，在高進速系數下的誤差在可接受范圍內。說明本文所建立得流固耦合數值模擬方法正確。

3 結果分析及討論

選取大載荷2 種工況（進速系數0.5、進速系數0.833）下，采用單一材料，所有鋪層采用同一角度。鋪層角度選取8 種不同的鋪層角度（0°，30°，45°，60°，90°，120°，135°，150°）建立復合材料螺旋槳有限元模型進行計算，計算結果從3 個方面展現，共同說明復合材料鋪層角度對螺旋槳變形情況的影響。

3.1 鋪層角度對螺旋槳槳葉變形影響分析

復合材料螺旋槳在承受水動力載荷時，槳葉會產生變形。表4 給出了不同鋪層角度情況下，螺旋槳葉片的總變形情況。2 種工況下，當纖維角度為0°～150°時，復合材料槳葉的總變形均先降低后增加，呈現近似“V”形趨勢，當鋪層角度θ=90°時，總變形量最大，這與鋪層角度對推力系數、扭矩系數的影響規律成正相關，與效率的影響規律呈負相關。

表 4 纖維鋪層角度對總變形的影響Tab. 4 Effect of fiber layering angle on total deformation

圖9 為2 種工況下，半徑系數0.5 與0.75 時的槳葉截面圖，由上到下依次為90°鋪層、60°鋪層、30°鋪層和0°鋪層時的剖面。可以看出，P4119 螺旋槳槳葉均向X軸負方向（軸向）與Z軸正方向（周向）發生彎曲，產生縱傾與側斜，同鋪層角度下，低進速系數變形量大；同工況下，0°鋪層角度變形程度最大。當半徑系數增大時，螺旋槳槳葉在同一半徑處沿著槳軸方向導邊變形量要大于隨邊，使葉片發生扭轉，改變了各半徑處螺距比分布，其具體變化如圖10 所示。

圖 9 槳葉變形圖Fig. 9 Blade deformation diagram

圖 10 不同鋪層角度下側斜角、縱傾角及螺距角的變化Fig. 10 Variation of lateral bevel angle, pitch angle and pitch angle under different layering angles

3.2 鋪層角度對螺旋槳槳葉應力分布的影響

圖11 和圖12 給出了不同鋪層角度情況下，復合材料螺旋槳槳葉等效應力分布云圖。可以看出，應力分布受鋪層角度的影響較大。總體上J=0.5 時槳葉的等效應力要大于J=0.833 時。在鋪層角度趨向于水平時，應力沿鋪層角度方向向著螺旋槳槳葉根部區域集中；在鋪層角度趨于90°時，應力最大值脫離槳葉根部區域，出現在中部區域，且擴大了影響范圍，應力集中現象得到顯著改善。當纖維角度為0°～150°時，復合材料螺旋槳所受到的最大應力值均先降低后增加，當鋪層角度為90°時，最大應力值最小；30°與150°時，最大應力值最大。這是因為螺旋槳所受阻力方向與螺旋槳槳葉根部剛度最大方向接近，拉伸和剪切應力均增大。

圖 11 0.5 進速系數時槳葉表面應力分布云圖Fig. 11 Von Mises stress distribution on blade surface when advance coefficient is 0.5

圖 12 0.833 進速系數時槳葉表面應力分布云圖Fig. 12 Von mises stress distribution on blade surface when advance coefficient is 0.833

3.3 鋪層角度對螺旋槳推進效率影響分析

在大載荷2 種工況（進速系數0.5、進速系數0.833）下，復合材料螺旋槳推力系數和扭矩系數如圖13 與圖14 所示。可以看出，工況對螺旋槳受力情況有較大影響，當鋪層角度增大時，螺旋槳推力系數與扭矩系數均呈現近似“V”形趨勢，當鋪層角度為90°時，復合材料螺旋槳推力系數最小，扭矩系數最小。這是因為90°鋪層角度時，螺旋槳槳葉在徑向剛度最大，槳葉彎曲變形最小。

圖 13 纖維鋪層角度對推力系數的影響Fig. 13 Effect of fiber layering Angle on thrust coefficient

圖 14 纖維鋪層角度對扭矩系數的影響Fig. 14 Effect of fiber layering angle on torque coefficient

復合材料螺旋槳效率由推力系數與扭矩系數綜合計算得出，公式如下：

如圖15 所示，在2 種工況下，當纖維角度為0°～150°時，復合材料螺旋槳的效率均先增加后降低，當鋪層角度θ=90°時效率最大。以鋪層角度為0°時為基準，鋪層角度為90°時，標準工況下，推力系數下降4.12%，扭矩系數下降4.49%，效率提升0.39%；大載荷工況下，推力下降5.85%，扭矩系數下降7.52%，效率提升1.8%。當鋪層角度改變時，扭矩系數的變化比推力系數更大，這個現象在低進速系數時，更能體現。這是因為低進速系數時，推力與扭矩較大，螺旋槳所受應力更大，槳葉扭轉變形更大，彎扭耦合效應變化更為明顯，應力分布更加均勻合理，螺旋槳整體效率提升更多。

圖 15 纖維鋪層角度對效率的影響Fig. 15 Effect of fiber layering angle on efficiency

4 結 語

本文針對多工況下螺旋槳槳葉受力變形問題，采用流固耦合數值模擬方法，研究不同鋪層角度下復合材料螺旋槳在多工況下的變形、應力分布與效率的變化情況，進而探究復合材料鋪層角度對螺旋槳受力特性的影響規律，得出結論如下：

1）復合材料螺旋槳在承受水動力荷載后，由于自身彈性模量各向異性，具有彎扭耦合效應，可自適應產生形變，調節縱傾、側斜與螺距的分布情況，不同鋪層角度整體變形趨勢相似，載荷越大，變形程度越高。

2）復合材料螺旋槳應力分布受槳葉鋪層角度影響較大，鋪層角度的改變可以直接改變復合材料螺旋槳槳葉應力分布情況，當角度為90°時，應力最大值最小，應力集中現象最不明顯。

3）單一材料所有鋪層采用同一角度時，復合材料螺旋槳在應對不同工況時均可提升推進效率。相較于標準工況而言，大載荷工況下，材料鋪層角度對力學性能的影響更為明顯，材料鋪層角度為90°時，推力與扭矩最低，總體效率最高，螺旋槳的水動力性能最好。

綜上所述，本文對不同鋪層角度下復合材料螺旋槳槳葉進行研究，鋪層角度的改變在不同工況下均對螺旋槳水動力性能與槳葉變形有規律性的影響，在大載荷時，尤為明顯。這為后續研究不同工況下最優鋪層設計方案提供一定借鑒。