復(fù)合材料螺旋槳強(qiáng)度評(píng)估方法研究

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

復(fù)合材料螺旋槳強(qiáng)度評(píng)估方法研究

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

為實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料螺旋槳強(qiáng)度進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估，本文基于 Hashin 強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)特定鋪層的螺旋槳在設(shè)計(jì)工況水動(dòng)力載荷下進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估；鑒于模擬螺旋槳所受水動(dòng)力載荷具有很大的局限性，開(kāi)展等效集中力研究；靜強(qiáng)度試驗(yàn)表明，有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，各測(cè)點(diǎn)處應(yīng)變均呈線性增長(zhǎng)，有效佐證了強(qiáng)度評(píng)估方法的可靠性。

復(fù)合材料；螺旋槳；強(qiáng)度評(píng)估

0　引　言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度和比剛度，耐腐蝕性能和抗疲勞強(qiáng)度好，具有較好的材料阻尼特性及減少全壽命周期費(fèi)用等優(yōu)勢(shì)。最重要的是與金屬材料最大的不同點(diǎn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性，即可利用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有的各向異性和剛度耦合特性，依據(jù)結(jié)構(gòu)的工作狀況，合理地安排纖維的方向和鋪層順序及層數(shù)比，以自適應(yīng)調(diào)整結(jié)構(gòu)的變形，使結(jié)構(gòu)以性能最佳的狀態(tài)工作。近年來(lái)，隨著對(duì)復(fù)合材料研究的深入，復(fù)合材料螺旋槳的應(yīng)用價(jià)值也大大體現(xiàn)，強(qiáng)度評(píng)估技術(shù)是復(fù)合材料螺旋槳應(yīng)用的重要保障，因而為加快復(fù)合材料螺旋槳早日在船舶上的實(shí)際應(yīng)用，開(kāi)展復(fù)合材料螺旋槳的強(qiáng)度評(píng)估研究具有重要意義［1］。

目前，關(guān)于復(fù)合材料螺旋槳的強(qiáng)度評(píng)估方面的相關(guān)研究較少，針對(duì)復(fù)合材料螺旋槳的相應(yīng)強(qiáng)度校核準(zhǔn)則還沒(méi)有形成一個(gè)成熟的理論體系，因此必須充分借鑒現(xiàn)有常規(guī)金屬槳的校核評(píng)估方法。關(guān)于金屬螺旋槳強(qiáng)度的校核方法國(guó)內(nèi)學(xué)者做了一些有意義的工作，張遠(yuǎn)雙［2］基于《鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范》對(duì)螺旋槳的要求，開(kāi)發(fā)了 AUTO CAD VAB 船舶螺旋槳參數(shù)化強(qiáng)度計(jì)算方法及相關(guān)程序。王玉華［3］結(jié)合大側(cè)斜螺旋槳自身的特點(diǎn)，編制了適用其強(qiáng)度計(jì)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(duì)螺旋槳槳葉進(jìn)行加載，但槳葉上流場(chǎng)分布計(jì)算繁復(fù)，載荷的施加較為困難，也無(wú)法保證精度。隨著流固耦合技術(shù)的發(fā)展，可跳過(guò)計(jì)算槳葉壓力場(chǎng)分布，直接進(jìn)行螺旋槳的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)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(jì)算精度。朱俊飛等［4］在 Pro/E 中建立導(dǎo)管螺旋槳的三維實(shí)體模型，并分別在 Fluent 和 CFX 中進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，之后利用 CFX 平臺(tái)進(jìn)行流固耦合計(jì)算，得到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果。劉竹青等［5］將流體力學(xué)中的面元法和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中的有限元法相結(jié)合，通過(guò)對(duì) 40 個(gè)實(shí)槳的靜強(qiáng)度計(jì)算，推薦螺旋槳強(qiáng)度校核安全系數(shù)為 12.0，安全系數(shù)的下限值不能小于 8.8。對(duì)于傳統(tǒng)螺旋槳強(qiáng)度計(jì)算，采用流固耦合方法考慮到流體與結(jié)構(gòu)的相互作用，較好地模擬了螺旋槳的水動(dòng)力情況，提高了計(jì)算槳葉應(yīng)力分布的精度，這對(duì)于易變形的復(fù)合材料螺旋槳來(lái)說(shuō)也是適用的。H.J.Lin 等［6］利用非線性水彈性方法，基于Hashin強(qiáng)度準(zhǔn)則分析評(píng)估了平衡對(duì)稱鋪層和非對(duì)稱鋪層的復(fù)合材料螺旋槳槳葉的強(qiáng)度，指出尤其要關(guān)注槳葉導(dǎo)邊、隨邊的層間破壞。José Pedro Blasques［7］將 Tsai-Wu 強(qiáng)度準(zhǔn)則加入設(shè)計(jì)的水彈性方法中，通過(guò)分析認(rèn)為復(fù)合材料槳葉導(dǎo)邊和靠近槳榖根部區(qū)域?yàn)閺?qiáng)度的關(guān)鍵區(qū)域，破壞模式為基體拉伸和面內(nèi)剪切破壞，可通過(guò)調(diào)整鋪層順序和改變鋪層角度，降低 Tsai-Wu 最大破壞系數(shù)，改善復(fù)合材料螺旋槳的承載能力?？偟膩?lái)說(shuō)，關(guān)于復(fù)合材料螺旋槳強(qiáng)度評(píng)估方法研究較少，上述學(xué)者的研究也均未對(duì)提出的評(píng)估方法給予可靠的實(shí)驗(yàn)佐證。

本文首先基于 Hashin 強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)特定鋪層的螺旋槳進(jìn)行了強(qiáng)度評(píng)估，通過(guò)分析特定鋪層角度下螺旋槳可能出現(xiàn)的失效模式及位置，找出螺旋槳強(qiáng)度的關(guān)鍵區(qū)域。進(jìn)而依據(jù)應(yīng)力等效原則，開(kāi)展了螺旋槳所受水動(dòng)力載荷等效集中力載荷研究，最后對(duì)樹(shù)脂傳遞工藝成型的復(fù)合材料螺旋槳模型進(jìn)行靜強(qiáng)度加載試驗(yàn)，有效驗(yàn)證了復(fù)合材料螺旋槳強(qiáng)度評(píng)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(wǎng)格Fig. 3　Finite element mesh

1　復(fù)合材料螺旋槳強(qiáng)度分析

1.1有限元模型及鋪層

計(jì)算對(duì)象為夾芯結(jié)構(gòu)的 1∶3 縮比復(fù)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?jiǎng)澐志W(wǎng)格，為方便纖維鋪層計(jì)算，在槳葉厚度方向僅劃分一個(gè)網(wǎng)格，整個(gè)槳葉共劃分約 400 個(gè)單元，網(wǎng)格劃分如圖3 所示。模型的載荷為由面元法計(jì)算所得設(shè)計(jì)工況下的水動(dòng)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?yàn)槿~背的正法線方向，葉面為壓力面，方向?yàn)槿~面的負(fù)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(qiáng)玻璃纖維鋪設(shè)，主要材料參數(shù)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(qiáng)度為 2 MPa，拉伸強(qiáng)度為 3 MPa，纖維鋪設(shè)時(shí)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(shí)將每 1 個(gè)單元視為一個(gè)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(zhǔn)則

Hashin 失效準(zhǔn)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(zhǔn)則的形式如下：

式中：σ11，σ12，τ12為復(fù)合材料層合板單層板的正應(yīng)力和剪應(yīng)力；XC，XT，YT，YC，SL，ST為復(fù)合材料層合板的 6 個(gè)強(qiáng)度參數(shù)；α 為材料的非線性因子。

1.3校核結(jié)果分析

依據(jù) Hashin 強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行復(fù)合材料螺旋槳的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估，可直觀判斷該鋪層下槳葉易出現(xiàn)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(duì)于目標(biāo)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(shè)計(jì)工況水動(dòng)力載荷下，該復(fù)合材料螺旋槳的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，且留有一定的裕度。通過(guò) 4 種失效模式的對(duì)比可知，發(fā)生概率較大或最先出現(xiàn)的失效模式為沿材料主方向的纖維拉伸失效，出現(xiàn)的位置為葉根處，分析原因可知螺旋槳為懸臂梁結(jié)構(gòu)，在水動(dòng)力載荷作用下，葉根處產(chǎn)生較大應(yīng)力，容易出現(xiàn)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(xiàn)失效模式，出現(xiàn)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(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因與槳葉的大側(cè)斜形狀和螺旋槳的工作原理有關(guān)。由于槳葉梢部向隨邊側(cè)斜較大，導(dǎo)致隨邊在 0.7 半徑處彎曲較大，易出現(xiàn)應(yīng)力集中，且此處又為夾芯泡沫與纖維布的交界處，在水動(dòng)力載荷的作用下，考慮彎扭耦合效應(yīng)，容易發(fā)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(dòng)力載荷既不是常規(guī)的均布載荷，也沒(méi)有呈現(xiàn)一定的函數(shù)分布，無(wú)簡(jiǎn)單規(guī)律可循，因此在目前結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)條件下，精確模擬復(fù)合材料螺旋槳槳葉所受水動(dòng)力載荷具有很大的局限性。復(fù)合材料螺旋槳槳葉類(lèi)似于懸臂梁結(jié)構(gòu)，通過(guò) Hashin 強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)槳葉強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估可知，葉根處產(chǎn)生較大的應(yīng)力，為槳葉強(qiáng)度的關(guān)鍵區(qū)域，則可近似認(rèn)為只要葉根剖面處應(yīng)力大小一致，則通過(guò)設(shè)計(jì)工況下水動(dòng)力載荷加載槳葉和集中力載荷加載槳葉對(duì)槳葉強(qiáng)度影響是一致的，從而可以達(dá)到簡(jiǎn)化試驗(yàn)加載條件，驗(yàn)證復(fù)合材料螺旋槳強(qiáng)度評(píng)估方法可靠性的目的。圖7 給出了在水動(dòng)力載荷作用下槳葉的應(yīng)力云圖。通過(guò)云圖可知，此時(shí)葉根處為應(yīng)力出現(xiàn)最大的位置，大小為 2.673 × 105Pa。通過(guò)有限元加載試算可知當(dāng)集中力為 7.5 kN 時(shí)加載位置為在葉面的 r/R = 0.75 半徑處距導(dǎo)邊 4/7 處，葉根處的最大應(yīng)力為 2.893 × 105Pa，則根據(jù)上述計(jì)算可以認(rèn)為 7.5 kN 的集中力載荷與設(shè)計(jì)工況下的水動(dòng)力載荷對(duì)螺旋槳強(qiáng)度影響相同。

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

圖7　兩種載荷應(yīng)力對(duì)比Fig. 7　Comparison of the two load

3　模型槳成型工藝與靜強(qiáng)度試驗(yàn)

3.1模型槳成型工藝

模型槳為上述計(jì)算槳，基體樹(shù)脂采用 430 LV 乙烯基酯樹(shù)脂、固化劑為 LC 低放熱型固化劑。具體鋪布順序?yàn)楸砻鏆忠粚?｛± 455/015/C6/015/± 455｝?？紤]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(cè)點(diǎn)布置及加載方式

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

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

圖8　測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig. 8　Measuring points layout diagram

試驗(yàn)地點(diǎn)為海軍工程大學(xué)結(jié)構(gòu)與材料試驗(yàn)室，試驗(yàn)設(shè)備為電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，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(dǎo)邊 4/7 處。同時(shí)為了能夠全面的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取距導(dǎo)邊 2/7、3/7 和 4/7 處的 3 個(gè)位置作為加載點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)加載。試驗(yàn)開(kāi)始從 1 kN 開(kāi)始加載，分 8 次逐次遞增加載到8 kN。在加載過(guò)程中需要注意的是，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)首先應(yīng)緩慢加載、卸載，以釋放槳葉內(nèi)部的殘余應(yīng)力。

3.3試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

為有效驗(yàn)證復(fù)合材料螺旋槳強(qiáng)度評(píng)估方法的有效性，在 Abaqus 仿真計(jì)算中設(shè)置復(fù)合材料螺旋槳的載荷大小及加載方式均與試驗(yàn)情況相同，從而保持有限元計(jì)算結(jié)果與強(qiáng)度試驗(yàn)所測(cè)結(jié)果的一致性。圖10 給出仿真計(jì)算結(jié)果與強(qiáng)度試驗(yàn)所測(cè)得各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變的對(duì)比，其中，虛線表示試驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)，實(shí)線代表仿真計(jì)算的數(shù)據(jù)。

圖9　試驗(yàn)實(shí)施過(guò)程Fig. 9　The test process

由圖10 可以看出，將有限元計(jì)算所得的結(jié)果與試驗(yàn)值所測(cè)得的結(jié)果對(duì)比最大偏差為 17.12%，出現(xiàn)在葉面上位于葉根的導(dǎo)邊處的 3# 測(cè)點(diǎn)，這主要是由于在加載力的作用下，槳葉模型除了產(chǎn)生一定的彎曲變形，還會(huì)產(chǎn)生一定的扭轉(zhuǎn)變形，導(dǎo)致槳葉向隨邊方向發(fā)生某種程度的滑移，不能保證完全垂直加載，使得實(shí)際試驗(yàn)所測(cè)得的結(jié)果與有限元仿真的結(jié)果出現(xiàn)偏差?？偟膩?lái)說(shuō)，通過(guò)有限元計(jì)算所得的各測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變分量均與試驗(yàn)值所測(cè)得的各測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變量吻合較

圖10　各測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)值與有限元結(jié)果對(duì)比Fig. 10　Comparison of experimental and calculated results

好，各曲線的分布趨勢(shì)基本一致，平均誤差為 9.15%，滿足工程上的要求。各測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變的絕對(duì)值均隨著載荷的增加呈線性增長(zhǎng)，當(dāng)最大載荷加載到 8 kN 時(shí)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變均在彈性范圍內(nèi)，槳葉也未發(fā)生破壞，充分驗(yàn)證了上述有限元方法評(píng)估槳葉強(qiáng)度的可信性。

4　結(jié)　語(yǔ)

1）夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料螺旋槳在水動(dòng)力載荷作用下應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注槳葉根部以及夾芯泡沫與纖維布交接處的強(qiáng)度。

2）本文對(duì)等效集中力原則進(jìn)行了初步探究，認(rèn)為可通過(guò)關(guān)鍵強(qiáng)度區(qū)域應(yīng)力等效原則將設(shè)計(jì)工況下水動(dòng)力載荷等效為集中力載荷，從而可以達(dá)到簡(jiǎn)化試驗(yàn)的目的。

3）強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，有限元計(jì)算所得的各測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變分量均與試驗(yàn)值所測(cè)得的各測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變量吻合較好，各曲線的分布趨勢(shì)基本一致，當(dāng)最大載荷加載到 8 kN 時(shí)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變均在彈性范圍內(nèi)，槳葉未發(fā)生破壞，充分驗(yàn)證了基于 Hashin 強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)槳葉強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)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(guó)防“十二五” 預(yù)研基金資助項(xiàng)目

楊文志（1991-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇脧?fù)合材料與應(yīng)用工程。