纖維鋪層對(duì)復(fù)合材料槳變形規(guī)律的影響

黃 政，熊 鷹，孫海濤

(海軍工程大學(xué)艦船工程系，湖北 武漢 430033)

0 引言

復(fù)合材料螺旋槳可根據(jù)所承受的載荷自適應(yīng)地改變自身形狀，相應(yīng)調(diào)整側(cè)斜、縱傾和螺距分布，進(jìn)而改善螺旋槳在不同工況時(shí)的綜合性能，提高推進(jìn)效率。

關(guān)于復(fù)合材料螺旋槳的研究，國內(nèi)外已經(jīng)有了相應(yīng)進(jìn)展。臺(tái)灣李雅榮通過基因遺傳算法對(duì)鋪層方向?yàn)?°，90°，±45°的復(fù)合槳進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，相比于一般優(yōu)化減少了運(yùn)算量［1－2］。還對(duì)2種優(yōu)化材料鋪層進(jìn)行了試驗(yàn)研究，比較不同進(jìn)速下推力扭矩系數(shù)及效率，得出性能提高與螺旋槳幾何參數(shù)的關(guān)系［3］。Yin L.Young等研究了自彎扭復(fù)合材料槳的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過基因遺傳算法針對(duì)來流速度和材料纖維角度進(jìn)行優(yōu)化［4］，并對(duì)5474槳進(jìn)行了螺距與進(jìn)速系數(shù)的變化規(guī)律研究［5］。臺(tái)灣林俊杰利用有限元法和升力面法對(duì)槳葉對(duì)稱與平衡和非平衡鋪層進(jìn)行了研究［6］。N.L.Mulcahy等研究了不同材料對(duì)螺旋槳的影響［7］，發(fā)現(xiàn)材料纖維角度與基準(zhǔn)角度相差－45°，+45°，+90°交叉時(shí)，在不同進(jìn)速系數(shù)下都可相應(yīng)提高復(fù)合槳的效率。梅志遠(yuǎn)等研究了夾芯復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度［8］。

本文采用面元法和有限元法相結(jié)合的流固耦合算法，設(shè)計(jì)幾種不同方式的纖維鋪層，計(jì)算出相應(yīng)槳的水動(dòng)力性能，并通過對(duì)比得出纖維鋪層對(duì)復(fù)合槳水動(dòng)力性能的影響。研究在不同纖維鋪層時(shí)復(fù)合材料槳葉變形的側(cè)斜、縱傾、螺距的變化規(guī)律。在今后研究不同工況下復(fù)合槳的性能變化，及預(yù)變性設(shè)計(jì)中方便借鑒。

1 鋪層設(shè)計(jì)及變形規(guī)律

纖維的鋪層方向主要圍繞槳葉側(cè)斜展開，對(duì)單一材料一種纖維鋪層方向的研究發(fā)現(xiàn)，纖維鋪層方向與側(cè)斜方向一致時(shí)，槳葉易于發(fā)生扭轉(zhuǎn)，可用于改變螺距分布以迎合進(jìn)流方向，進(jìn)而提高螺旋槳的水動(dòng)力性能。根據(jù)此結(jié)果研究了單一材料多角度纖維組合鋪層對(duì)水動(dòng)力性能的影響，得出多角度纖維交叉鋪層亦有利于提高螺旋槳水動(dòng)力性能。在研究2種材料的多角度纖維組合鋪層狀況時(shí)發(fā)現(xiàn)，2種材料在槳葉側(cè)斜±45°范圍內(nèi)的交叉鋪層對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能提升更明顯。

1.1 4382槳的纖維鋪層

4382槳最大側(cè)斜為36°，利用面元法對(duì)其進(jìn)行20×20劃分 (見圖1)，直徑取為2.8 m，設(shè)計(jì)工況下進(jìn)速系數(shù)J=0.889，纖維鋪層角度θ如圖1所示。

圖1 4382槳葉20×20單元Fig.1 The 20×20 element distribution of propeller 4382

1)常規(guī)金屬槳的水動(dòng)力性能計(jì)算結(jié)果為:推力系數(shù)KT=0.21505，扭矩系數(shù)10KQ=0.45204，效率η=0.67310。

2)單一材料單層纖維鋪層時(shí)，使用Graphite/epoxy，設(shè)置了角度為 20°，30°，40°，45°，50°，55°，60°，80°，95°，140°的纖維鋪層方向，不同鋪層方向的效率如圖2所示。最終發(fā)現(xiàn)，纖維角度從20°～140°時(shí)，復(fù)合槳的效率先增加后減少。當(dāng)纖維鋪層方向與槳葉最大側(cè)斜相一致時(shí)，即θ=50°時(shí)，推力系數(shù) KT=0.22127，扭矩系數(shù)10KQ=0.45931，效率η=0.68162為最高，比常規(guī)金屬槳提高0.85個(gè)百分點(diǎn)。故其推力和扭矩均增加，而推力增加更為明顯，致使效率增加。

圖2 4382槳單層纖維鋪層的效率Fig.2 The efficiency of single angle

3)多層數(shù)結(jié)合角度組合時(shí)，設(shè)置了8種對(duì)比組合方式 (見表1)。

表1 4382多角度鋪層組合Tab.1 Combination fiber stacking sequence of several angles

對(duì)應(yīng)計(jì)算結(jié)果見圖3，可見鋪層方式4，6和8效率最高，分別為:η4=0.68086，η6=0.67954，η8=0.68103?？梢姼鲗永w維角度 5°，50°和 95°即圍繞側(cè)斜角相差±45°交叉鋪層可提高螺旋槳效率。而方式2，3，5是層數(shù)不同情況下的效率對(duì)比，可見層數(shù)對(duì)復(fù)合槳效率影響不大。本組鋪層也呈現(xiàn)出推力和扭矩均增加，而推力增加更為明顯，致使效率增加。

圖3 4382槳的角度組合效率Fig.3 The efficiency of several angles

4)雙材 Graphite/epoxy與 IM6/epoxy交叉鋪層，并結(jié)合角度的組合，如表2所示。

表2 4382雙材角度交叉鋪層組合Tab.2 Combination fiber stacking sequence of several angles with two materials

圖4 4382槳的雙材鋪層效率Fig.4 The efficiency of fiber stacking sequence of several angles with two materials

由圖4可見，方式1，2，6，8組合以5°，50°為主進(jìn)行雙材交叉鋪層，效率最高，均高于0.68;方式 4，5，7，9，10 組合以 50°，60°，70°，80°，90°為層，兼顧側(cè)斜方向±45°內(nèi)角度的交叉組合，其推力和扭矩均增加，而推主進(jìn)行雙材交叉鋪層，效率也都較前2組效率高;情況3因其90°交叉且只有2層而呈現(xiàn)效率略低。可見2種材料的交織鋪力增加更為明顯，致使效率增加。

1.2 不同纖維鋪層下復(fù)合槳的變形規(guī)律

以上設(shè)計(jì)了不同方式的材料纖維鋪層，并得出其對(duì)復(fù)合槳水動(dòng)力性能的影響規(guī)律。下面針對(duì)螺旋槳在水流壓力差下產(chǎn)生的變形規(guī)律做進(jìn)一步的探討。即根據(jù)變形后的槳葉面元節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)反求側(cè)斜角、螺距角和縱傾，形成各半徑處的變化曲線，研究其在不同纖維鋪層下的變化規(guī)律。

設(shè)槳葉半徑r處的切面弦長中點(diǎn)角坐標(biāo)為θm(r)，軸向坐標(biāo)為xm(r)，β為幾何螺距角，c為弦長，z為縱傾。槳葉r半徑處導(dǎo)邊和隨邊的角坐標(biāo)為:

設(shè)螺旋槳發(fā)生變形后，槳葉r半徑處導(dǎo)邊和隨邊的坐標(biāo)為 x1，y1，z1，θ1和 x2，y2，z2，θ2;Z'T，θ'm、β'分別為變形后的r半徑葉切面的縱傾、側(cè)斜角和螺距角。則其表達(dá)式如下:

根據(jù)此式反求在不同纖維鋪層下的側(cè)斜角、螺距角和縱傾，計(jì)算如下:

1)單一材料單層纖維鋪層時(shí) (見圖5)，由于不同纖維鋪層時(shí)槳葉的側(cè)斜角、縱傾和螺距角在0.1R～0.8R處時(shí)相差很小，肉眼難以分辨，故略去這一部分，圖中只顯示0.8R～1.0R處的變形對(duì)比?？梢姡瑔我徊牧蠁螌永w維鋪層時(shí)槳葉側(cè)斜角比剛性金屬槳增大，縱傾和螺距角比剛性金屬槳減小;對(duì)復(fù)合槳水動(dòng)力性能提高明顯的鋪層方式，其對(duì)變形影響也較明顯。

槳葉變形雖較小，但均基于同一軟件和同一流固耦合程序，且每種復(fù)合材料纖維鋪層均較剛性槳側(cè)斜角增加，縱傾和螺距角減小，故此變形呈現(xiàn)出了可供遵循的規(guī)律，在今后研究不同工況下復(fù)合槳的性能變化及預(yù)變性設(shè)計(jì)中方便借鑒。

圖5 單層纖維鋪層側(cè)斜角、縱傾及螺距角的變化Fig.5 The change of skew，rake，pitch angle

2)多層數(shù)結(jié)合角度組合和雙材交叉鋪層時(shí)，槳葉的變形規(guī)律和以上相同。

1.3 纖維鋪層對(duì)復(fù)合槳的變形規(guī)律研究

在來流速度下，剛性金屬槳在設(shè)計(jì)工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，槳葉螺距角與進(jìn)流角相近 (見圖6)，螺旋槳工作在最佳狀態(tài)，與主機(jī)搭配較好，推進(jìn)性能亦最優(yōu)。但實(shí)際槳由于其承受水流壓力差而變形，使進(jìn)流角與螺距角產(chǎn)生偏差，螺旋槳偏離最佳狀態(tài)，效率必然有所降低。而復(fù)合材料螺旋槳在承受水動(dòng)力載荷后，可自適應(yīng)地改變自身形狀，側(cè)斜角增加，螺距角和縱傾減小，相應(yīng)調(diào)整側(cè)斜、螺距和縱傾分布，進(jìn)而改善螺旋槳在不同工況時(shí)的綜合性能，提高推進(jìn)效率。

圖6 復(fù)合槳變形圖Fig.6 The deformation of composite propeller

由于彈性模量和泊松比的各向異性，不同材料纖維鋪層組合對(duì)復(fù)合槳影響不同，故其在水動(dòng)力荷載下產(chǎn)生變形也有所不同。通過以上研究表明，復(fù)合材料的各向異性特點(diǎn)使螺旋槳的水動(dòng)力性能有所提高，彈性模量大的軸向變形小，彈性模量小的軸向變形大，故圍繞側(cè)斜角±45°范圍內(nèi)交叉纖維鋪層使得復(fù)合槳葉軸向變形小，而徑向變形可自適應(yīng)地增加側(cè)斜角，減小螺距角和縱傾，從而實(shí)現(xiàn)了在實(shí)際情況下槳葉變形迎合進(jìn)流角，使得攻角減小，槳葉滑脫也減小，提高了復(fù)合槳的推進(jìn)效率。

2 結(jié)語

本文采用流固耦合算法對(duì)4382槳進(jìn)行復(fù)合材料鋪層研究，對(duì)比了相應(yīng)鋪層的效率，研究了其變形規(guī)律，得出結(jié)論如下:

1)單一材料鋪層，當(dāng)纖維角度與槳葉側(cè)斜一致時(shí)，螺旋槳的水動(dòng)力性能較高。多角度交叉鋪層及雙材交叉鋪層，當(dāng)主要角度與槳葉側(cè)斜一致即圍繞最大側(cè)斜角±45°范圍內(nèi)交叉鋪層時(shí)，可提高螺旋槳水動(dòng)力性能。

2)復(fù)合材料螺旋槳在承受水動(dòng)力載荷后，可自適應(yīng)地改變自身形狀，側(cè)斜角增加，螺距角和縱傾減小，相應(yīng)調(diào)整側(cè)斜、螺距和縱傾分布，進(jìn)而提高推進(jìn)效率。

3)復(fù)合槳螺距和側(cè)斜的減小使其更接近進(jìn)流角，使得攻角減小，槳葉滑脫也減小，從而產(chǎn)生更高的推進(jìn)效率。

以上對(duì)復(fù)合材料螺旋槳的纖維鋪層設(shè)計(jì)和變形規(guī)律的研究，雖效率提高較小，槳葉變形也較小，但均基于同一軟件和同一流固耦合程序，且每種復(fù)合材料纖維鋪層均較剛性槳有共同改變趨勢，故此研究呈現(xiàn)出了可供遵循的規(guī)律，在今后研究不同工況下復(fù)合槳的性能變化及預(yù)變性設(shè)計(jì)中方便借鑒。

［1］LEE Y J，LIN C C.Optimized design of composite propeller［J］.Mechanics of Advanced Materials and Structures，2004(11):17－30.

［2］LIN C C，LEE Y J.Stacking sequence optimization of laminated composite structures using genetic algorithm with local improvement［J］.Composite Structures，2004，63:339－345.

［3］LIN C C，LEE Y J.Optimization and experiment of composite marine propellers［J］.Composite Structures，2009，89:206 －215.

［4］MATEUSZ M，YIN L Y.Optimization of a self-twisting composite marine propeller using genetic algorithms［M］.16th International Conference on Composite Materials.

［5］YIN L Y，ZHAN K L.Hydroelastic tailing of composite naval propulsor［M］.OMAE，2007.

［6］LIN H J，LIN J J.Strength evaluation of a composite marine propeller blade［J］.Reinforced Plastics and Composites.2005，24:1791 －1807.

［7］MULCAHY N L，PRUSTY B G.Hydroelastic tailoring of flexible composite propellers［J］.Shipsand Offshore Structures.2010，5(4):359 －370.

［8］毛亮，梅志遠(yuǎn)，羅忠，朱錫.夾芯復(fù)合材料基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析.海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，20(1):98－102.MAO Liang，MEIZhi-yuan，LUO Zhong，ZHU Xi.Structuresdesign and strength analysisoffoundation structure of sandwich composite［J］.Naval University of Engineering，2008，20(1):98 －102.