2017-3-28  来源：海军工程大学舰船工程系  作者：杨文志，朱锡，陈悦，裴秋秋

      摘要:为实现铺层角度、顺序对桨叶强度影响的准确预报，本文首先采用有限元计算软件Abaqus建立复合材料螺旋桨仿真计算方法，并通过静强度试验对仿真计算方法进行了佐证；然后加入Tsai—wu强度准则作为桨叶强度的评价指标。通过对30种铺层方案进行仿真计算，阐明铺层角度、顺序对桨叶强度的影响规律，为研究纤维铺层对桨叶强度的影响提供一定的参考。


      关键词:复合材料；螺旋桨；铺层；强度


      0.引言


      复合材料螺旋桨因为其材料的各向异性，其强度特性与金属桨有所不同，桨叶强度与纤维的铺向角及每层所占的比例密切相关，桨叶强度是螺旋桨实船应用的重要保障，因而研究纤维铺层对桨叶强度的影响具有重要意义。由于螺旋桨的外形比较复杂，理论分析比较困难，因而需要借助有限元仿真技术来研究桨叶纤维铺层对强度的影响关系。


      目前关于纤维铺层对强度的影响研究不多，国内外学者在纤维铺层对桨叶水动力性能的影响以及桨叶铺层优化设计上做了一些有意义的工作，对研究铺层对强度影响具有借鉴意义。Lin．H．J【2“1考虑了对称铺层的平衡和非平衡方式发现非平衡铺层方式在低进速系数情况下对桨叶的水动弹性影响较大，此外通过研究他还发现纤维的铺层角度对桨叶的推力，有效螺距比有显著的影响，因此需进行周密的设计工作以保证桨叶的最佳性能。Liu．Z等”“1通过基因遗传算法对铺层方向为0。，450，一450，90。的复合桨进行了优化设计。洪毅等¨“。计算了不同铺层方案下复合材料螺旋桨的最大应力和变形数值，说明通过改变铺层方案可以有效地提高复合材料螺旋桨的结构性能并通过有限元法和CFD计算研究了不同的纤维铺设角度和铺层方式下复合桨的非线性周期瞬态响应和桨毂振动载荷分布。张建国等∽-对碳纤维复合材料螺旋桨进行了铺层设计，求解分析得到了几种铺层方案下铺层角度与碳纤维复合材料螺旋桨桨叶最大位移的关系。李泓运等¨叫研究了不同铺层方式对桨叶应力分布及干湿模态的影响规律结果表明：复合材料螺旋桨的铺向角和铺层厚度比例对桨的应力分布和固有频率有较大影响。JosePedro Blasques。将Tsai—wu强度准则加人设计的水弹性方法中，对舰船最大航速和巡航情况下的复合材料桨叶强度进行分析，提出可通过调整铺层顺序和改变铺层角度，改善复合材料螺旋桨的承载能力，但未阐明铺层角度、顺序对桨叶强度的影响规律。


      本文基于Tsai—wu强度准则，结合静强度试验佐证的有限元法，通过对30种不同铺层方案的仿真计算，探讨不同铺层方式对桨叶强度的影响规律，为复合材料螺旋桨的设计做一些有益的尝试。


      1.复合材料螺旋桨仿真计算方法验证

      1．1 仿真计算方法的建立


      1)计算对象

图1 l 桨叶几何模型

      2)计算模型


      在有限元软件Abaqus中建立桨叶的有限元模型，单元类型选用六面体单元，为方便纤维铺层计算，在桨叶厚度方向仅划分一个网格，整个桨叶共划分约400个单元，纤维布铺层方式与模型桨相同。桨叶的约束条件为在螺旋桨根部设定固支边界，为达到与强度试验对比的目的，加载方式与下述强度试验加载方式相同。

图2 芯材几何模型

图3有限元网格

图4线衙与边界条件

      1．2复合材料螺旋桨静强度试验

      1)模型桨制作工艺


      模型桨为上述计算桨，基体树脂采用430LV乙烯基酯树脂、固化剂为LC低放热型固化剂。具体铺布顺序为表面毡一层{±45；／0。；／C。／0，，／-I-45，}。考虑到要制备的模型桨尺寸较大，采用RTM成型工艺制作，具体流程包括模具的制备、喷涂胶衣、铺布(包括泡沫芯材的放置)、合模、注料成型、后固化及脱模等。


      2)试验测点布置及实施


      具体测点布置如图5所示。其中叶面布置7处测点分别在叶根的导边、中部和随边处，在r／R=0．6半径处的导边和随边处布置2处测点，由于叶背相对于叶面的受力较小，故在桨叶叶背上仅布置3处测点，方向均沿桨叶的径向。

图5测点布置示意图

      为简化试验，并达到佐证仿真计算方法的目的，采用集中力静载荷加载的方式进行加载。为更好地模拟桨叶的工作载荷情况，集中力的加载位置选择在叶面的r／R=0．75半径处。同时，为能够全面反映实验结果，将该半径处的弦长等分为7份，并选取距导边2／7，3／7和4／7处的3个位置作为加载点进行试验加载，加载方式为垂向加载，最大载荷为8 kN。


      试验地点为海军工程大学结构与材料试验室，试验设备为电子万能试验机。试验开始从1 kN开始加载，分8次逐次递增加载到8 kN。在加载过程中需要注意的是，试验开始时首先应缓慢加载、卸载，以释放桨叶内部的残余应力。

图6 试验实施过氍

      1．3仿真与试验结果对比


      为了尽可能直观地验证仿真计算所得的结果与静强度试验所测得的应变值的一致性。图7～图9分别给出了加载点l、加载点2和加载点3位置下的有限元软件计算所得的模拟结果与复合材料螺旋桨强度试验所测得各测点应变的对比。其中，虚线为试验测量的数据，实线为有限元计算的数据。

图7加载点1位置F各测点的试验值与有限兀结果对比

      从图7～图9及上述3种加载点下试验值与有限元值的分析比较可知，有限元计算所得的各测点对应的应变分量均与试验所测得的各测点对应的应变量吻合较好，各曲线的分布趋势完全一致，平均误差偏差为9．13％，小于10％满足工程上的要求。

图8加载点2位置下各测点的试验值与有限元结果对比

图9加载点3位置下各测点的试验值与有限元结果对比

      但整体来看，有限元计算的应变水平比试验值高，主要是因为有限元计算中设定的边界条件为叶根处为固定端，比实际的工装情况要更强，故而导致桨叶应变水平偏高。综上分析可认为，在与实际复合材料螺旋桨的材料属性设置相同的情况下，通过有限元方法能够实现与试验测试的结果基本保持一致，充分验证了采用上述有限元计算方法来研究复合材料螺旋桨铺层对强度影响的可信性。


      2.铺层对复合材料螺旋桨强度影响的计算

      2．1强度准则


      复合材料的Tsai—wu强度准则





      2．2 桨叶方案计算及结果分析


      通过编写相关程序，将Ansys／CFD中的流体网格按节点进行编号，进而生成对应的编号曲面，并采用六面体连续壳单元生成结构化网格，从而可得到包含流体计算水动力载荷和与之对应结构化网格的INP文件。将INP文件导入到Abaqus中，实现流体水动力载荷与结构单元的对应传递，从而完成桨叶加载，并设置相关属性和边界条件，桨叶铺层的1～50层划分顺序为由叶面到叶背，并加入Tsai—Wu强度准则对桨叶强度进行评估。

图10水动力载荷与边界条件

      为探讨不同铺层角度和铺层顺序对桨叶Tsai—wu强度准则函数的最大值和最大应力的影响规律，选取以下30种方案，对其进行计算分析，结果如表1所示。

表1 不同方案下的计算结果

      对不同铺层方案的仿真计算结果表明：不同铺层角度和铺层顺序对Tsai—Wu强度准则函数的最大值和最大应力影响较大，夹芯结构复合材料螺旋桨在受到水动力载荷作用下，导边与靠近桨毂根部区域为复合材料螺旋桨强度的关键区域，当由叶面过渡到叶背时，各铺层Tsai—wu强度准则函数的最大值出现的位置由夹芯处过渡到叶根，且叶根处的值要比夹芯处要高。通过方案1～方案10，方案1 1～方案20，方案2l一方案30可看出，随着±45。铺层组的增加，Tsai—Wu强度准则函数的最大值呈先减小在增大的趋势，最大应力呈减小的趋势。


      为进一步研究±45 o铺层组的增加对桨叶强度的影响，将方案1～方案9的每个方案的各个铺层Tsai—Wu强度准则函数的最大值绘制成图。从图11中可看出，当由方案1～方案5时每个铺层的Tsai—wu强度准则函数的最大值都呈减小的趋势，说明这一阶段随着±45。铺层组的增加可有效提高桨叶的强度；通过方案5～方案9可看出，随着±45。铺层组的进一步增加只对表层的Tsai—Wu强度准则函数的最大值有影响，且随着铺层组的增加呈增大的趋势，中间铺层的Tsai—Wu强度准则函数的最大值几乎不发生改变。分析产生上述现象的原因，由于复合材料螺旋桨在水动力载荷下受到弯扭和拉压应力，±450纤维方向主要承载弯矩、扭矩，00纤维方向主要承载拉压应力，随着±450层组的增多分担更多的弯矩、扭矩所以强度提高，当±45。铺层继续增多时此时拉压应力承载不足，则导致强度降低。

图11 方案1—9各个铺层的Tsai—Wu强度准则函数的最大值变化规律

      为探讨00，(00，90。)，(900，00)不同铺层组对Tsai—Wu强度准则函数的最大值影响的差异，图12给出了方案6、方案16、方案26各个铺层的Tsai—Wu强度准则函数的最大值的变化趋势。从图中可看出，3种方案的曲线趋势一致，数值大小趋于吻合，则说明在表层采用±45。相同层数的铺层组时，内层采用00，(00，90。)，(90。，00)不同的铺层组对复合材料桨的强度影响差别较小。

图12 三种方案各个铺层的Tsai—Wu强度准则函数的最大值变化规律

      3.结语


      1)本文通过静强度试验对已建立的仿真计算方法进行了佐证，最大误差小于10％，有效说明了仿真计算方法的准确性。


      2)夹芯复合材料螺旋桨在水动力载荷作用下，导边与靠近桨毂根部区域为强度的关键区域；不同铺层角度和铺层顺序对桨叶强度影响较大，且随着±45。铺层数在一定范围内增加，桨叶最大应力呈递减趋势，桨叶的强度呈现先减小后增加的趋势。


      3)±45。层组在一定范围内可有效地提高夹芯复合材料螺旋桨的强度，在今后复合材料螺旋桨的铺层设计中应充分利用这一特点，以此来确定最佳的承载弯扭、拉压载荷的铺层比例关系；0。，(0。，90。)，(90。，0。)不同层组对桨叶强度影响差异较小。