文摘

负载相关变形响应和复杂故障的自适应机制复合螺旋桨叶片设计,分析,和这些结构重要的比例。这项工作的目的是探讨并验证水弹性响应的动态相似关系和潜在故障的自适应机制复合船用螺旋桨。一个完全耦合的三维边界元method-finite元素的方法是用来比较的模型和全面响应自适应复合螺旋桨。空间均匀流的影响,瞬态单空泡,和load-dependent刀片变形。讨论了三种类型的扩展:雷诺,弗劳德规模,马赫的规模。结果表明,马赫扩展,要求模型流入速度一样完整的规模,将导致差异的空间低速负载分布,由于弗劳德数的差异,但差异模型和全面的结果变得微不足道的高速度。因此,马赫扩展建议复合船用螺旋桨,因为它允许使用相同的材料和分层方案之间的模型和全面,导致类似的三维应力分布,因此类似的故障机制,模型和全面。

1。介绍

近年来,先进复合材料已成为越来越受欢迎的替代传统的金属合金为航空航天和海洋应用,包括转子如螺旋桨和涡轮机。除了更高的比强度和刚度的好处,在金属合金复合材料可以提供改进的性能通过剥削的内在bend-twist耦合特征。复合材料的各向异性性质可用于弹性调整转子叶片达到提高性能通过被动的适应。然而,load-dependent变形响应和复杂故障机制复合刀片设计,分析,和这些结构重要的比例。

在过去的二十年里,许多研究对复合转子集中在利用流固相互作用(FSI)来提高航空航天结构的性能,尤其是直升机,飞机,和风力涡轮叶片(1- - - - - -7]。最近,使用先进的复合材料提高船用螺旋桨的性能通过实验已经证明(8- - - - - -10和数值11- - - - - -23]。它已经表明,自适应复合转子可以帮助延迟cavitaton,提高能源效率,减少燃料消耗相比,刚性金属转子在不同流动空间和非计算的条件。作者的知识,几乎所有出版系统的实验研究复合海洋转子在公开文献已经在模型比例尺进行空化隧道和船模试验池设施。为了预测全面,load-dependent变形响应和潜在破坏机制的自适应综合海洋转子,适当水比例的法律是必要的。

而传统的刚性,水动力相似关系是定义良好的金属海洋转子存在很少的作品讨论自适应海洋的水弹性伸缩转子。水力弹性波结构相互作用问题的扩展可以在[24,25),虽然这些和其他类似波结构相互作用的研究通常不涉及旋转组件或空化。讨论了水比例的侧壁式螺旋桨(26),但它只适用于各向同性金属刀片。年轻的[27]推导和验证动态水弹性相似关系自适应复合转子和演示材料的重要性比例,以确保类似的载荷变形特征。为灵活的复合转子、缩放的材料是非常重要的,特别是对于材料的预测失败。样本大小的影响,材料属性、叠层顺序,层数,和纤维取向、等特点,已被证明有重大影响复合材料的失效强度,以及试样的失效模式(28- - - - - -33]。

这项工作的目标是调查和验证水弹性响应的动态相似关系和潜在故障的自适应机制复合船用螺旋桨。一个完全耦合的三维(3 d),边界元素method-finite元素法(BEM-FEM)是用来比较的模型和全面响应自适应复合螺旋桨为海军作战而设计的。3 d BEM-FEM解决了部分2,描述的螺旋桨特性部分3,扩展的结果部分所示4,主要的发现报道在部分5。

2。方法

2.1。3 d BEM-FEM解算器

3 d BEM-FEM耦合解算器应用此分析螺旋桨性能。解算器考虑非线性几何耦合的影响由于厚度和3 d效果,空间不同的流入,瞬态单空化,加载依赖FSI响应,和潜在的强度和稳定性问题。流体的行为被认为是由blade-fixed旋转坐标系中的不可压缩欧拉方程如下: 在哪里是总速度,是物理时间,流体压力,是水密度,重力加速度,螺旋桨旋转速度向量,是惯性blade-fixed坐标向量,旋转叶片的引用。

总速度()表示为流入速度(的总和)和微扰潜在的速度(): 在哪里。有效后速度同时包含名义流入速度(即。,in the absence of the propeller) and the vortical interactions between the propeller and the inflow [35]。这允许扰动流场被视为不可压缩、非粘性的,和无旋,这是由拉普拉斯方程:。读者应该指的是(14,15,36- - - - - -41为更多的细节。

考虑FSI效应,微扰的潜力进一步分解为组件是由于刚性叶片旋转,弹性叶片变形,,解决了使用三维边界元与适当的运动和动态边界条件。同样,总水动压力分解为组件是由于刚性叶片旋转,弹性叶片变形,。集成的在湿叶片面积可以表示为附加质量矩阵()乘以节点加速度向量()和附加阻尼矩阵()乘以节点速度向量(),导致对定义的运动方程旋转blade-fixed坐标系统在时域中: 在哪里结构节点位移向量;,,结构的质量、阻尼和刚度矩阵,分别;,,是离心力,科里奥利力,水动力力(由于刚性叶片旋转)向量,分别。详细制定这些向量和矩阵中可以找到14,15]。

运动的动力学方程使用商业有限元解算器,解决了有限元分析/标准(42),,,从本解决了。直接循环算法有限元分析/标准,结合修改后的牛顿法的傅里叶表示解决方案和残余向量,用于计算叶片的动态反应不稳定流动和noncacheable大型叶片变形的影响被认为是通过解决流体和固体之间的迭代,直到解收敛,通常发生在6 - 7迭代。螺旋桨叶片使用3 d离散,减少集成二次连续固体元素。复合材料是建模使用正交的材料属性为每个元素和主坐标轴代表纤维的取向角。材料起始使用Hashin建模失败起始标准(43]。更多细节的制定,包括数值实现验证研究,可以发现在13- - - - - -15,39- - - - - -41,44- - - - - -46]。

3所示。螺旋桨特性

在以前的作品(20.- - - - - -22),作者设计和分析的自适应复合螺旋桨,如图1和模仿经典的螺旋桨,4383年DTMB,细节可以发现在47]。螺旋桨被认为是由碳纤维增强聚合物(CFRP),直径为5.18米。流入后的螺旋桨飞机,如图1,提出了基于数据(34),是不对称的,因为上游船型的双轴的海军作战技艺。

4所示。模型的比较和全面的反应和潜在失效机制的自适应复合船用螺旋桨

自适应复合材料螺旋桨设计depitch向前在正常装载(21]。自适应螺旋桨,叶片变形和由此产生的水动力性能取决于总维负载对应于一个特定的推进速度,转动频率,。作为增加,depitching行动增加,进而需要一个更大的提高为了满足船舶推力的要求。为了验证预测螺旋桨性能和调查潜在的失败机制的自适应复合螺旋桨,必须开发适当的比例关系,捕捉螺旋桨叶片的载荷变形响应。

4.1。动态水弹性相似关系

在一个由年轻的(以前的工作27),水弹性相似条件和比例因子自适应复合船用螺旋桨为了清晰起见,这里详细介绍和总结。扩展因素被定义为模型比例尺的比例,用全面的参数用适当的下标代表感兴趣的参数。假设几何相似性,特征长度尺度,在那里模型比例尺螺旋桨的直径和吗是全面的螺旋桨的直径。为典型的船模试验池或空化隧道测试设备与水流体介质,重力的缩放因子()、流体密度(),粘度()和声速(大约1。模拟模型和原型之间的相同的操作条件下,推进的缩放比例系数(,在那里)和空化数(,在那里,绝对的静水压力在螺旋桨轴轴,然后呢饱和蒸汽压)也必须是1,这可以通过控制流入速度,螺旋桨转动频率和空蚀试验槽内的压力。此外,实现类似FSI响应之间的模型和全面的螺旋桨,缩放比例的固体密度(和泊松比)必须等于1和有效的结构刚度比率必须比例如下: 在哪里杨氏模量的吗方向和剪切模量的吗趋向。假设上述相似条件得到满足,只剩下三个关键的无量纲参数:雷诺数()、弗劳德数()和马赫数(),参数和分别为流体运动粘度和声速。雷诺数、弗劳德数和马赫数相似不能同时满足。因此,选择适当的比例取决于模型比例尺研究的目的。

雷诺数相似时应该应用粘性效果和大规模的漩涡的影响至关重要,但它是在典型的气蚀隧道难以实现,因为它需要模型比例尺速度比全面的速度要快,或。对于典型操作条件,雷诺数应该足够大,这样粘滞力相比应该是小惯性和引力,因此,雷诺数相似并不认为。

弗劳德数相似度是至关重要的流动情况引力(即很重要。小弗劳德数)。有四个主要力量,必须考虑一个灵活的复合螺旋桨:固体弹性恢复力、重力、水动力惯性力和转子惯性力。当引力是重要的,例如,在较低的速度,弗劳德扩展之间唯一的模型,保持相同的比率四个的主导力量27]。此外,弗劳德扩展允许更小在空化,这是更容易实现隧道和船模试验池研究。

马赫数相似流压缩时通常需要一个问题,它不应该关心船用螺旋桨模型和全面,因为马赫数通常显著小于1。然而,马赫扩展允许使用相同的材料和分层方案之间的模型和全面的螺旋桨(27]。为了吸收水动力载荷高,自适应复合船用螺旋桨通常需要复杂的3 d几何小长宽比和固体材料上篮。因此,它是极其困难的,如果不是不可能,找到合适的纤维和矩阵属性和分层方案,这样结构的三维分布密度、抗弯刚度、抗扭刚度,耦合bending-torsional刚性模型和全面的螺旋桨之间都是相同的,除非使用了相同的材料和分层方案。

这项工作的目标是验证提出的动态相似性关系(27]通过对比模型比例尺和全面的反应以及自适应复合船用螺旋桨的潜在失效机制图所示1。为了方便起见,弗劳德和马赫缩放的相关比例参数派生(27总结在表1。

4.2。模型和全面的参数

权术量表的有效性和Froude-scale相似性关系表所示1演示了使用部分中描述的3 d BEM-FEM解算器2。5.18米(17英尺)全面螺旋桨节中描述3,如图1。假设模型比例尺螺旋桨是一个几何相似1/17-scale模型的直径米(1英尺)。全面的相关参数、权术量表和Froude-scale复合螺旋桨如表所示2。注意,纵向()、横向()和剪切()强度组件。应该注意,马赫相似和Froude-scale研究都假定为在空化进行隧道这样的空化数,一样,可以全面的螺旋桨通过控制隧道压力。此外,没有值列出Froude-scale材料强度参数表在过去六行2因为他们不能推导出理论以来,在前一节中提到的,很难找到满足所有的纤维和基质组合的有效结构密度和模扩展需求。

4.3。在均匀流入稳态响应

load-dependent变形反应和结果的比较全面和模型比例尺螺旋桨的性能稳定、均匀流入条件如图2。通过应用比例关系见表1归一化变形响应的变化(螺旋角的变化,倾斜的变化,和规范化的倾角的变化,)和水动力载荷系数(推力系数,、转矩系数和效率,变形几何),Froude-scale和马赫相似螺旋桨同意全面螺旋桨。注意,虽然是相同的权术量表和全面的螺旋桨,Froude-scale螺旋桨的推进速度应该减少。为便于比较,全面,马赫相似,Froude-scale结果所示相同的图作为一个全面的功能。

图3显示了前五湿全面的共振频率,马赫相似,Froude-scale螺旋桨规范化的合适的螺旋桨转动频率对应于一个全面推进的速度节。正如所料,因为归一化频率是相同的。

结果表明,按照表中所示的相似关系2,Froude-scale和马赫相似复合螺旋桨能够正确地预测load-dependent变形响应,水动力性能,并对瞬态和/或全面的共振振动复合螺旋桨。

4.4。瞬态响应在空间不同的尾流

进一步验证水弹性相似关系,结果显示在本节全面,马赫相似,Froude-scale复合螺旋桨在空间不同后如图1。

压的比较平均的水动力系数和叶片变形值对应于全面推进的速度节,结表所示3。的速度,全面的雷诺数足够高马赫相似螺旋桨,粘性力应该可以忽略不计,而惯性力。应该注意,Froude-scale螺旋桨转变可能发生,因此,在叶片前缘可能需要特殊的治疗,以确保完全湍流。然而,由于3 d BEM-FEM模型假定粘流,粘性影响不会在此讨论。虽然弗劳德数,而低10节,平均轴向力系数,轴力矩系数,,在那里和分别是轴向力和力矩以及叶尖音高的变化角度,和规范化叶尖歪斜,为全面、权术量表和Froude-scale螺旋桨彼此有很好的一致性。

比较时间历史的水动力响应,变形,为全面和空化卷,马赫相似和Froude-scale螺旋桨是如图4,5和6。良好的协议是观察之间的全面和Froude-scale螺旋桨因为弗劳德扩展的利益保护之间的比率四个主导力量,正如表1。然而,如图4,5和6可以观察到,一些差异之间的全面和马赫相似螺旋桨,特别是在较低的全面的速度节。如表所示3弗劳德数更高,马赫相似螺旋桨,这将导致预计偏低的引力相对于其他部队,这是符合表中所示的关系1。因此,时间的历史per-blade轴向力和力矩系数的权术量表从全面的螺旋桨推进器略有不同,虽然平均值大约是相同的(见表3)。此外,马赫相似螺旋桨往往under-predict空化卷,如图6。随着速度的增加,引力的相对重要性减少,导致更好的权术量表和全面的螺旋桨之间的协议节。

为了更好地说明权术量表和全面的螺旋桨之间的区别节,比较的压力系数轮廓图所示7。压力系数被定义为,在那里绝对总压强和吗绝对的静水压力在螺旋桨轴轴。较暗的区域显示在空化发展,也就是说,。如图7之间的压力分布和空化报道权术量表和全面的螺旋桨是非常相似的。结果表明,尽管弗劳德数的影响影响的空间变化的动态叶片加载和空化卷,以很高的速度影响是非常有限的,空化,材料和/或稳定失败是潜在的担忧。

根据长度范围,构建一个几何相似模型比例尺螺旋桨后弗劳德相似性与所需的3 d结构密度的分布,以及弯曲,扭转,bending-torsional刚度可以是非常困难的,特别是对于一种自适应复合螺旋桨由各向异性复合材料堆放在复杂,三维构型。如表所示2,弯曲和剪切模中的差异可以是巨大的。很难确保所有模(和和泊松比根据给定的值在表)规模2同时保持有效的固体密度()之间的相同模型和全面的螺旋桨。甚至改变材料参数有很大的影响3 d载荷变形特征。此外,评估结构完整性的弗劳德相似的叶片是不可行的,因为需要规模结构强度参数。

如表所示2,同样的材料和分层方案可用于马赫相似螺旋桨,大大简化了材料扩展。适应的减少大小马赫相似模型,ply-level规模扩展可用于复合上篮使用相同类型的分层,以确保类似的弹性响应的复合刀片29日]。然而,失败的优势可能在不同的模型和全面的螺旋桨即使Mach-scaling几何和操作条件,和ply-level相同比例的复合材料属性,因为它的规模效应归因于材料不确定性大小(28- - - - - -30.]。不过,估计川的易感性或初始材料失败可以实现。复合转子叶片的主要失效模式构造矩阵挠曲的固体多层复合材料拉伸断裂和分层22]。虽然有许多不同的预测模型组合启动失败,常用Hashin失败初始化模型(43文中应用和被定义为, 在哪里正常的压力吗方向,剪切应力在吗方向,,,,,材料强度参数定义在表吗2。失败是认为发生在最初的材料或。

比较矩阵的拉伸和分层故障起始指标之间的叶根的权术量表和全面的螺旋桨操作稳定、均匀流入节图所示8。应该注意的是,稳定的趋势显示,均匀流入类似推进器操作在空间不同。螺旋桨,启动失败发生在叶片根后缘地区由于高倾斜和固定边界根,往往高估了应力集中。然而,权术量表之间的故障指示器轮廓非常相似和全面螺旋桨时,操作稳定和非定常流的条件。结果显示马赫攀登的关键优势能力保持类似的三维应力分布通过允许使用相同的材料和分层方案,因此允许调查潜在的失效机制的全面自适应复合材料螺旋桨进行模型规模时测试。

5。结论

之前验证3 d BEM-FEM解算器是用来比较模型(1/17-scale)和全面的水弹性响应和潜在失效机制的自适应复合螺旋桨为海军作战而设计的。空间均匀流的影响,瞬态单空泡,load-dependent刀片变形。

关键的缩放比例如表所示1。结果表明,弗劳德缩放的好处是能够保持固体和流体惯性力的比率,重力和弹性恢复力。然而,这将是非常困难的适当规模的固体密度和弹性材料的属性Froude-scale自适应复合螺旋桨,和几乎不可能正确尺度材料失败的优点。马赫扩展,另一方面,的好处就是允许使用相同的材料和分层方案之间的模型和全面的螺旋桨,这有助于保持三维应力分布和潜在的失效机制。应该强调流压缩性影响船用螺旋桨通常可以忽略不计,忽略了在当前的分析。马赫数相似只是意味着之间的相对流入速度应该是相同的模型和全面的螺旋桨,在空化可以实现隧道的研究。结果表明,比例将马赫under-predict重力相比其他三个主导力量,因为模型规模的弗劳德数越高,特别是在低速范围内。然而,结果表明,马赫相似和Froude-scale螺旋桨能够繁殖的平均水动力载荷系数,load-dependent变形,对共振振动的全面自适应复合螺旋桨。马赫相似,然而,一些差异全面螺旋桨可以观察到的空间变化的动态叶片载荷和空化卷当操作在空间不同,尤其是在低速范围内。在高速范围内空化、材料和/或稳定失败是潜在的担忧,非常有限的差异是观察到的动态响应之间的权术量表和全面的螺旋桨。 Moreover, the results demonstrate that the Mach-scale propeller is able to emulate the 3D distribution of the material failure initiation indicators, which is critical to assessing the structural integrity and safe operating envelope of the full-scale self-adaptive composite marine propeller.

应该注意的是,目前的工作假设ply-level比例复合上篮,而材料特性和制造过程是相同的权术量表和全面复合螺旋桨。然而,众所周知,失败的优势的大小增加的碳纤维增强塑料通常减少由于增加材料和几何不确定性,例如,失调或扭结的纤维,空洞的存在,不均匀分布的纤维或矩阵卷,等等。此外,可能需要不同的制造技术之间的模型和固体材料的全面,因为挑战上篮和复杂的3 d几何船用螺旋桨。因此,进一步的研究需要解决复合比例问题,尤其是有关失败的长处,残余应力的影响,载入顺序的影响,疲劳强度当长期受海水浸泡和潜在的巨大的温度变化。

本文所示的分析仅限于非粘流的假设,因此,雷诺兹影响不考虑。虽然粘性部队应该微不足道惯性力对大多数感兴趣的速度在正常操作模式,过渡和粘性影响的叶尖可能担忧模型比例尺由于雷诺数减少。此外,粘滞效应可能主宰crashback等极端偏离设计的条件,在流是由大规模的流动分离和瞬态环漩涡。因此,还需要进一步的研究探讨粘性影响的动态水弹性响应和潜在的失败机制自适应复合船用螺旋桨。

确认

作者感谢美国海军研究办公室(ONR)和Ki-Han金博士(项目经理)批准号。n00014 - 09 - 1 - 1204和n00014 - 10 - 1 - 0170的金融支持。这项工作的部分也支持由韩国国家研究基金会(NRF)授予由韩国政府通过GCRC-SOP批准号(最高明的)2012 - 0004783。