張建國(guó)，岳 金，宋春生，張錦光

(1.連云港鷹游紡機(jī)有限責(zé)任公司總經(jīng)理辦公室，江蘇連云港222000;2.武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430070)

螺旋槳是艦船用動(dòng)力機(jī)械的關(guān)鍵部件［1］，其工作轉(zhuǎn)速高，零件形狀復(fù)雜，加工精度要求高，工作環(huán)境惡劣。碳纖維復(fù)合材料螺旋槳具有強(qiáng)度高、比重小、耐蝕性強(qiáng)、制造容易、價(jià)格低、彈性好等優(yōu)點(diǎn)［2］，具有廣泛的應(yīng)用前景。

德國(guó)海軍將高阻尼凱夫拉合成纖維制造的復(fù)合材料螺旋槳安裝在206A型U26艇上［3］;美國(guó)科學(xué)技術(shù)組織QinetiQ設(shè)計(jì)制造了2.9 m的復(fù)合材料螺旋槳［4］，并且海試成功，是目前世界上最大的復(fù)合材料螺旋槳。

復(fù)合材料螺旋槳鋪層與螺旋槳水動(dòng)力性能之間有緊密聯(lián)系［5］，復(fù)合材料螺旋槳自動(dòng)調(diào)節(jié)槳葉變形可以實(shí)現(xiàn)改善其水動(dòng)力性能的目標(biāo)。SEARLE等［6］指出，經(jīng)過(guò)合理鋪層可設(shè)計(jì)出多工況下均比金屬螺旋槳推進(jìn)效率高的復(fù)合材料螺旋槳。澳大利亞MULCAHY設(shè)計(jì)了自適應(yīng)復(fù)合船用螺旋槳［7］，反映了鋪設(shè)材料、鋪層角度及鋪層厚度之間的關(guān)系，表明可通過(guò)調(diào)整鋪層角度和厚度來(lái)提高復(fù)合材料螺旋槳對(duì)流體流場(chǎng)的自適性。JOSE等［8］將邊界元和有限元 Ansys11.0耦合分析了4.4 m復(fù)合材料螺旋槳的特性，并指出通過(guò)設(shè)計(jì)鋪層，能使耗油量減少4.7%。洪毅研究了各向異性復(fù)合材料層合板的相關(guān)理論［9］，并與有限元相結(jié)合對(duì)復(fù)合材料鋪層進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析。

復(fù)合材料螺旋槳設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鋪層設(shè)計(jì)、敞水分析、動(dòng)態(tài)特性研究和水彈性優(yōu)化。筆者針對(duì)碳纖維復(fù)合材料的特性，首先對(duì)螺旋槳的鋪層角度及厚度進(jìn)行了設(shè)計(jì)，得到了幾種方案，并就螺旋槳槳葉鋪層角度對(duì)槳葉位移的影響作了相關(guān)分析和研究。在此基礎(chǔ)上，考慮到螺旋槳幾何形狀的特殊性，對(duì)設(shè)計(jì)的鋪層方案中的主鋪層角進(jìn)行修正，研究修正值對(duì)螺旋槳變形的影響。碳纖維復(fù)合材料螺旋槳鋪層角度設(shè)計(jì)與分析可為復(fù)合材料螺旋槳在鋪層角度選取方面提供參考。

1 螺旋槳結(jié)構(gòu)及復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)

以NH1000螺旋槳為研究對(duì)象，該螺旋槳直徑為1 000 mm，其他參數(shù)如表1所示。根據(jù)螺旋槳幾何型值，計(jì)算出螺旋槳三維空間坐標(biāo)數(shù)值，建立三維模型圖，如圖1所示。

螺旋槳選用碳纖維復(fù)合材料，復(fù)合材料的基體一般是樹(shù)脂材料，目前可供選擇的樹(shù)脂主要有兩類:①熱固性樹(shù)脂，其中包括環(huán)氧樹(shù)脂、聚酰亞胺樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂和聚酯樹(shù)脂等;②熱塑性樹(shù)脂，

表1 NH1000螺旋槳參數(shù)表

1 NH1000螺旋槳三維模型圖

根據(jù)增強(qiáng)材料和樹(shù)脂基體的要求，選擇T300/5208碳纖維/環(huán)氧為碳纖維復(fù)合材螺旋槳的制作材料。T300/5208性能參數(shù)如表2所示［10］。

表2 T300/5208碳纖維復(fù)合材料性能參數(shù)

根據(jù)螺旋槳結(jié)構(gòu)、承受載荷形式和幾何形狀及變形形式，選用0°，45°，－45°，90°這4 種鋪層角鋪層，采用對(duì)稱鋪層，以消除熱變形翹曲和減小內(nèi)應(yīng)力。考慮承扭能力，擬采用最大厚度為30 mm，100層碳纖維復(fù)合材料，每層厚度為0.3 mm。

根據(jù)復(fù)合材料層合板的一般鋪層原則并結(jié)合前人螺旋槳鋪層設(shè)計(jì)的一些研究成果［11］，設(shè)計(jì)中采用0°、±45°和90°居多，從這 4個(gè)角度完成鋪層方案的設(shè)計(jì)。這4種方案分別為:

這4種方案主要是了解45°與－45°對(duì)槳葉變形的影響和0°與90°對(duì)槳葉變形的影響。

與普通層合板相比，螺旋槳槳葉形狀特殊，槳葉有一定側(cè)斜，該螺旋槳槳葉側(cè)斜角為22.04°。槳葉葉面、葉背受到載荷時(shí)，變形會(huì)因?yàn)閭?cè)斜角的大小而有所不同。因此，在主鋪層角上進(jìn)行修正，即0°、90°修正。為便于鋪層工藝，修正角度取22°，結(jié)合上述4種鋪層方案，得到4種鋪層方案:

將這4種新鋪層方案與前4種鋪層方案進(jìn)行對(duì)比，可了解到修正值對(duì)鋪層角度的影響，得到復(fù)合材料螺旋槳變形與螺旋槳幾何特征的關(guān)系。

2 螺旋槳槳葉表面壓力分析

為研究鋪層角度對(duì)螺旋槳變形的影響，對(duì)不同鋪層角度的螺旋槳施加載荷，得到不同鋪層角度下螺旋槳槳葉位移。為獲得螺旋槳表面載荷，進(jìn)行了螺旋槳槳葉壓力分析。

根據(jù)槳葉壓力分析要求［12］，建立槳葉壓力分析模型，采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示，圖2中中間密集部分為螺旋槳旋轉(zhuǎn)域，稀疏區(qū)域?yàn)橥獠苛饔颉Ｕ麄€(gè)流場(chǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為331 306個(gè)，網(wǎng)格單元數(shù)為1 862 631個(gè)。

圖2 槳葉壓力分析模型網(wǎng)格圖

根據(jù)NH1000螺旋槳模型及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行槳葉壓力分析，旋轉(zhuǎn)域采用額定轉(zhuǎn)速為685.7 r/min，分析螺旋槳在設(shè)計(jì)工況速度為9.6 m/s下的螺旋槳的表面壓力，分析結(jié)果如圖3所示，圖3為螺旋槳表面壓力等值云圖。

圖3(a)為螺旋槳葉面表面壓力等值云圖，即吸力面壓力，圖3(b)為螺旋槳葉背表面壓力等值云圖，即壓力面壓力。圖3表明，螺旋槳在轉(zhuǎn)速為685.7 r/min，進(jìn)速為9.4 m/s時(shí)，螺旋槳葉面壓力約為 －85.0 ～ －20.3 kPa，葉背壓力約為 －72.3～29.5 kPa。

圖3 螺旋槳槳葉表面壓力等值云圖

3 螺旋槳結(jié)構(gòu)分析

3.1 金屬螺旋槳結(jié)構(gòu)分析

首先對(duì)金屬螺旋槳進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，得到NH1000槳在設(shè)定工況下，其槳葉位移結(jié)果。在金屬螺旋槳結(jié)構(gòu)分析中，螺旋槳具有對(duì)稱分布性，單個(gè)槳葉變形信息能夠反映整個(gè)螺旋槳的變形信息，因此為節(jié)約計(jì)算時(shí)間，采用單個(gè)葉片進(jìn)行分析。金屬螺旋槳結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格模型如圖4所示，采用solid45單元，材料為鎳鋁青銅，密度為7 500 kg/m3，楊氏模量為 127 GPa，泊松比為 0.42。

圖4 金屬螺旋槳單葉片網(wǎng)格圖

載荷加載是將Fluent中槳葉表面壓力施加到槳葉表面，槳葉根部六自由度固定，整個(gè)槳葉相當(dāng)于懸臂梁，由此進(jìn)行槳葉位移分析。金屬螺旋槳槳葉位移等值云圖如圖5所示。

由圖5可知，該金屬螺旋槳在進(jìn)速為9.4m/s，轉(zhuǎn)速為685.7 r/min的情況下，直徑為1 000 mm的金屬螺旋槳槳葉最大位移為0.580 mm，該最大位移為直徑的0.058%，變形很小。

圖5 金屬螺旋槳槳葉位移等值云圖

3.2 碳纖維復(fù)合材料螺旋槳結(jié)構(gòu)分析

與金屬螺旋槳相比，碳纖維復(fù)合材料螺旋槳由于材料的各向異性，其變形不同于金屬螺旋槳。根據(jù)上述所設(shè)計(jì)的幾種復(fù)合材料鋪層方案，進(jìn)行槳葉位移分析。

按照復(fù)合材料有限元分析方法，首先對(duì)前4種鋪層角度方案進(jìn)行求解，分別獲得螺旋槳槳葉最大位移，并采用蔡－吳失效準(zhǔn)則，得到其最大失效指數(shù)，如表3所示。

表3 方案1、2、3、4求解結(jié)果

表3表明，將方案1與方案3和方案2與方案4對(duì)比，0°鋪層角有利于大變形設(shè)計(jì)，90°鋪層角有利于小變形設(shè)計(jì)，碳纖維復(fù)合材料螺旋槳始終比鎳鋁青銅螺旋槳變形大;方案1與方案2和方案3與方案4對(duì)比，－45°鋪層角有利于阻止變形，45°鋪層角有利于變形。

采用同樣的方法對(duì)修正后的4種鋪層角度方案進(jìn)行求解，分別獲得螺旋槳槳葉最大位移及最大蔡－吳失效指數(shù)，如表4所示。將金屬材料螺旋槳最大位移及8種復(fù)合材料鋪層角度方案的最大位移進(jìn)行對(duì)比，得到結(jié)果如圖6所示。

表4 方案5、6、7、8求解結(jié)果

圖6 各種鋪層方案對(duì)比圖

根據(jù)圖6的對(duì)比可知，與方案1、2求解結(jié)果相比，方案5、6表明，修正角度使0°鋪層角旋轉(zhuǎn)一定的角度，槳葉的變形更大，起到了修正作用;與方案3、4求解結(jié)果相比，方案7、8表明，修正角度使90°鋪層角旋轉(zhuǎn)一定的角度，槳葉的變形更小，對(duì)阻礙槳葉變形有利，起到了修正作用。

8種鋪層方案的碳纖維復(fù)合材料螺旋槳最大的蔡－吳失效指數(shù)為0.340，所有最大失效指數(shù)均小于1，由此可知，碳纖維復(fù)合材料螺旋槳沒(méi)有失效，能夠滿足強(qiáng)度要求。

4 結(jié)論

(1)0°鋪層角有利于大變形槳葉設(shè)計(jì)，90°鋪層角有利于小變形槳葉設(shè)計(jì);－45°鋪層角有利于阻止變形，45°鋪層角有利于變形。螺旋槳需要大變形時(shí)宜采用0°和45°鋪層角，需要小變形時(shí)宜采用90°和 －45°鋪層角。

(2)結(jié)合螺旋槳幾何特征，對(duì)主鋪層角進(jìn)行修正。修正角度使0°鋪層角槳葉的變形更大，使90°鋪層角槳葉的變形更小，起到修正作用。在鋪層設(shè)計(jì)中應(yīng)該加上修正值，以滿足螺旋槳結(jié)構(gòu)特征的要求。

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