碳纤维复合材料螺旋桨铺层角度研究

张建国，岳 金，宋春生，张锦光

(1.连云港鹰游纺机有限责任公司总经理办公室，江苏连云港222000;2.武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉430070)

螺旋桨是舰船用动力机械的关键部件［1］，其工作转速高，零件形状复杂，加工精度要求高，工作环境恶劣。碳纤维复合材料螺旋桨具有强度高、比重小、耐蚀性强、制造容易、价格低、弹性好等优点［2］，具有广泛的应用前景。

德国海军将高阻尼凯夫拉合成纤维制造的复合材料螺旋桨安装在206A型U26艇上［3］;美国科学技术组织QinetiQ设计制造了2.9 m的复合材料螺旋桨［4］，并且海试成功，是目前世界上最大的复合材料螺旋桨。

复合材料螺旋桨铺层与螺旋桨水动力性能之间有紧密联系［5］，复合材料螺旋桨自动调节桨叶变形可以实现改善其水动力性能的目标。SEARLE等［6］指出，经过合理铺层可设计出多工况下均比金属螺旋桨推进效率高的复合材料螺旋桨。澳大利亚MULCAHY设计了自适应复合船用螺旋桨［7］，反映了铺设材料、铺层角度及铺层厚度之间的关系，表明可通过调整铺层角度和厚度来提高复合材料螺旋桨对流体流场的自适性。JOSE等［8］将边界元和有限元 Ansys11.0耦合分析了4.4 m复合材料螺旋桨的特性，并指出通过设计铺层，能使耗油量减少4.7%。洪毅研究了各向异性复合材料层合板的相关理论［9］，并与有限元相结合对复合材料铺层进行了结构分析。

复合材料螺旋桨设计包括结构设计、铺层设计、敞水分析、动态特性研究和水弹性优化。笔者针对碳纤维复合材料的特性，首先对螺旋桨的铺层角度及厚度进行了设计，得到了几种方案，并就螺旋桨桨叶铺层角度对桨叶位移的影响作了相关分析和研究。在此基础上，考虑到螺旋桨几何形状的特殊性，对设计的铺层方案中的主铺层角进行修正，研究修正值对螺旋桨变形的影响。碳纤维复合材料螺旋桨铺层角度设计与分析可为复合材料螺旋桨在铺层角度选取方面提供参考。

1 螺旋桨结构及复合材料铺层设计

以NH1000螺旋桨为研究对象，该螺旋桨直径为1 000 mm，其他参数如表1所示。根据螺旋桨几何型值，计算出螺旋桨三维空间坐标数值，建立三维模型图，如图1所示。

螺旋桨选用碳纤维复合材料，复合材料的基体一般是树脂材料，目前可供选择的树脂主要有两类:①热固性树脂，其中包括环氧树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂和聚酯树脂等;②热塑性树脂，

表1 NH1000螺旋桨参数表

1 NH1000螺旋桨三维模型图

根据增强材料和树脂基体的要求，选择T300/5208碳纤维/环氧为碳纤维复合材螺旋桨的制作材料。T300/5208性能参数如表2所示［10］。

表2 T300/5208碳纤维复合材料性能参数

根据螺旋桨结构、承受载荷形式和几何形状及变形形式，选用0°，45°，－45°，90°这4 种铺层角铺层，采用对称铺层，以消除热变形翘曲和减小内应力。考虑承扭能力，拟采用最大厚度为30 mm，100层碳纤维复合材料，每层厚度为0.3 mm。

根据复合材料层合板的一般铺层原则并结合前人螺旋桨铺层设计的一些研究成果［11］，设计中采用0°、±45°和90°居多，从这 4个角度完成铺层方案的设计。这4种方案分别为:

这4种方案主要是了解45°与－45°对桨叶变形的影响和0°与90°对桨叶变形的影响。

与普通层合板相比，螺旋桨桨叶形状特殊，桨叶有一定侧斜，该螺旋桨桨叶侧斜角为22.04°。桨叶叶面、叶背受到载荷时，变形会因为侧斜角的大小而有所不同。因此，在主铺层角上进行修正，即0°、90°修正。为便于铺层工艺，修正角度取22°，结合上述4种铺层方案，得到4种铺层方案:

将这4种新铺层方案与前4种铺层方案进行对比，可了解到修正值对铺层角度的影响，得到复合材料螺旋桨变形与螺旋桨几何特征的关系。

2 螺旋桨桨叶表面压力分析

为研究铺层角度对螺旋桨变形的影响，对不同铺层角度的螺旋桨施加载荷，得到不同铺层角度下螺旋桨桨叶位移。为获得螺旋桨表面载荷，进行了螺旋桨桨叶压力分析。

根据桨叶压力分析要求［12］，建立桨叶压力分析模型，采用四面体单元进行网格划分，如图2所示，图2中中间密集部分为螺旋桨旋转域，稀疏区域为外部流域。整个流场节点数为331 306个，网格单元数为1 862 631个。

图2 桨叶压力分析模型网格图

根据NH1000螺旋桨模型及相关参数进行桨叶压力分析，旋转域采用额定转速为685.7 r/min，分析螺旋桨在设计工况速度为9.6 m/s下的螺旋桨的表面压力，分析结果如图3所示，图3为螺旋桨表面压力等值云图。

图3(a)为螺旋桨叶面表面压力等值云图，即吸力面压力，图3(b)为螺旋桨叶背表面压力等值云图，即压力面压力。图3表明，螺旋桨在转速为685.7 r/min，进速为9.4 m/s时，螺旋桨叶面压力约为 －85.0 ～ －20.3 kPa，叶背压力约为 －72.3～29.5 kPa。

图3 螺旋桨桨叶表面压力等值云图

3 螺旋桨结构分析

3.1 金属螺旋桨结构分析

首先对金属螺旋桨进行结构分析，得到NH1000桨在设定工况下，其桨叶位移结果。在金属螺旋桨结构分析中，螺旋桨具有对称分布性，单个桨叶变形信息能够反映整个螺旋桨的变形信息，因此为节约计算时间，采用单个叶片进行分析。金属螺旋桨结构分析网格模型如图4所示，采用solid45单元，材料为镍铝青铜，密度为7 500 kg/m3，杨氏模量为 127 GPa，泊松比为 0.42。

图4 金属螺旋桨单叶片网格图

载荷加载是将Fluent中桨叶表面压力施加到桨叶表面，桨叶根部六自由度固定，整个桨叶相当于悬臂梁，由此进行桨叶位移分析。金属螺旋桨桨叶位移等值云图如图5所示。

由图5可知，该金属螺旋桨在进速为9.4m/s，转速为685.7 r/min的情况下，直径为1 000 mm的金属螺旋桨桨叶最大位移为0.580 mm，该最大位移为直径的0.058%，变形很小。

图5 金属螺旋桨桨叶位移等值云图

3.2 碳纤维复合材料螺旋桨结构分析

与金属螺旋桨相比，碳纤维复合材料螺旋桨由于材料的各向异性，其变形不同于金属螺旋桨。根据上述所设计的几种复合材料铺层方案，进行桨叶位移分析。

按照复合材料有限元分析方法，首先对前4种铺层角度方案进行求解，分别获得螺旋桨桨叶最大位移，并采用蔡－吴失效准则，得到其最大失效指数，如表3所示。

表3 方案1、2、3、4求解结果

表3表明，将方案1与方案3和方案2与方案4对比，0°铺层角有利于大变形设计，90°铺层角有利于小变形设计，碳纤维复合材料螺旋桨始终比镍铝青铜螺旋桨变形大;方案1与方案2和方案3与方案4对比，－45°铺层角有利于阻止变形，45°铺层角有利于变形。

采用同样的方法对修正后的4种铺层角度方案进行求解，分别获得螺旋桨桨叶最大位移及最大蔡－吴失效指数，如表4所示。将金属材料螺旋桨最大位移及8种复合材料铺层角度方案的最大位移进行对比，得到结果如图6所示。

表4 方案5、6、7、8求解结果

图6 各种铺层方案对比图

根据图6的对比可知，与方案1、2求解结果相比，方案5、6表明，修正角度使0°铺层角旋转一定的角度，桨叶的变形更大，起到了修正作用;与方案3、4求解结果相比，方案7、8表明，修正角度使90°铺层角旋转一定的角度，桨叶的变形更小，对阻碍桨叶变形有利，起到了修正作用。

8种铺层方案的碳纤维复合材料螺旋桨最大的蔡－吴失效指数为0.340，所有最大失效指数均小于1，由此可知，碳纤维复合材料螺旋桨没有失效，能够满足强度要求。

4 结论

(1)0°铺层角有利于大变形桨叶设计，90°铺层角有利于小变形桨叶设计;－45°铺层角有利于阻止变形，45°铺层角有利于变形。螺旋桨需要大变形时宜采用0°和45°铺层角，需要小变形时宜采用90°和 －45°铺层角。

(2)结合螺旋桨几何特征，对主铺层角进行修正。修正角度使0°铺层角桨叶的变形更大，使90°铺层角桨叶的变形更小，起到修正作用。在铺层设计中应该加上修正值，以满足螺旋桨结构特征的要求。

［1］苏永春.大型舰船用螺旋桨五轴加工后置处理及干涉碰撞检测［D］.武汉:华中科技大学图书馆，2006.

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［9］洪毅.高性能复合材料螺旋桨的结构设计及水弹性优化［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学图书馆，2010.

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［11］洪毅，赫晓东.复合材料船用螺旋桨设计与CFD/FEM 计算［J］.哈尔滨工业大学学报，2010，42(3):404－40.

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