李雪芹 陳 科 郭雙喜

（1 航空工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心，中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，先進(jìn)復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 101300）

（2 海軍研究院，北京 100161）

文 摘 為了評(píng)估復(fù)合材料螺旋槳葉片在鋪覆時(shí)纖維取向改變對(duì)性能的影響，基于Fibersim 軟件的鋪覆模擬結(jié)果建立了復(fù)合材料螺旋槳葉片的實(shí)體有限元模型，并與不考慮纖維取向改變時(shí)的有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：不考慮纖維取向改變時(shí)葉片固有頻率及均布?jí)毫ο伦畲笪灰普`差小于5%，但熱載荷下考慮真實(shí)纖維方向時(shí)的最大變形量約為不考慮真實(shí)纖維方向時(shí)的2倍，葉片局部區(qū)域0°、45°、-45°方向鋪層的纖維角度偏差超過(guò)了25°。在進(jìn)行復(fù)合材料螺旋槳葉片有限元分析時(shí)應(yīng)基于鋪覆后的真實(shí)纖維方向。

0 引言

傳統(tǒng)的金屬螺旋槳存在噪音大、不耐海水腐蝕、疲勞壽命不長(zhǎng)等問(wèn)題，將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用于船用螺旋槳葉片上將有助于改善這些問(wèn)題，因此具有巨大的潛力［1-2］。瑞典在21 世紀(jì)初已經(jīng)在其皇家海軍Vikten 掃雷艇上安裝了三葉碳纖維復(fù)合材料螺旋槳，2014年日本載重499 t 的運(yùn)輸船“太鼓丸”號(hào)的主推進(jìn)系統(tǒng)安裝了五葉碳纖維復(fù)合材料螺旋槳［3］。近年來(lái)，復(fù)合材料螺旋槳葉片的鋪層角度優(yōu)化［4-5］、流-固耦合［6-7］、振動(dòng)阻尼［8-9］等方面是研究的重點(diǎn)，但對(duì)于復(fù)合材料葉片的成型制造過(guò)程及其對(duì)葉片性能的影響涉及較少。螺旋槳葉片這類空間形狀復(fù)雜的復(fù)合材料構(gòu)件可直接采用三維機(jī)織或編織獲得三維復(fù)合材料構(gòu)件預(yù)成型體，再采用RTM 工藝方法成型；雖然國(guó)外該技術(shù)已在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上應(yīng)用［10-11］，但是這種工藝方法難度大、成本高、周期長(zhǎng)。采用二維平面單向或多向織物通過(guò)鋪覆來(lái)制造三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)仍是復(fù)合材料構(gòu)件主要采用的工藝方法［12-14］。

在對(duì)二維平面織物制得的復(fù)合材料螺旋槳葉片進(jìn)行設(shè)計(jì)分析時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注纖維在鋪覆過(guò)程中的變形問(wèn)題。在鋪覆過(guò)程中，纖維會(huì)通過(guò)變形進(jìn)行重新分布以適應(yīng)復(fù)雜的三維鋪覆面，并且纖維的方向也會(huì)發(fā)生變化［15-17］。纖維方向的改變對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的性能有著重要影響，在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮真實(shí)的纖維方向［18-20］。對(duì)于復(fù)合材料螺旋槳葉片來(lái)說(shuō)，因其葉形呈空間自由曲面狀，造成復(fù)合材料在鋪覆時(shí)纖維方向變化較大，基于鋪覆模擬的有限元建模分析研究有著重要意義。采用商用鋪覆模擬軟件Fibersim可以對(duì)復(fù)合材料的鋪覆過(guò)程進(jìn)行模擬，再將模擬后纖維取向?qū)氲紺AE軟件中進(jìn)行進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)分析。Fibersim軟件導(dǎo)出的鋪覆模擬結(jié)果既可以用于殼單元也可以用于實(shí)體單元。在文獻(xiàn)［21］中，已對(duì)船用復(fù)合材料螺旋槳葉片的有限元建模方法進(jìn)行了討論，采用殼單元前處理所需時(shí)間一般較長(zhǎng)，且計(jì)算葉片熱載荷下的響應(yīng)時(shí)是不適用的。因此，本文將采用實(shí)體單元進(jìn)行建模及分析。先采用Fibersim軟件對(duì)葉片曲面上的纖維鋪覆過(guò)程進(jìn)行模擬，然后基于Fibersim軟件鋪覆模擬后葉片各處的真實(shí)纖維方向進(jìn)行船用復(fù)合材料螺旋槳的實(shí)體有限元建模，并分析不同工況下葉片的響應(yīng)，比較考慮和不考慮真實(shí)纖維方向兩種情況下葉片的前三階模態(tài)、表面均布?jí)毫ο碌淖冃魏蜔彷d荷下的變形結(jié)果，討論基于鋪覆模擬的有限元建模分析技術(shù)對(duì)于復(fù)合材料螺旋槳葉片結(jié)構(gòu)的有效性和適用性。

1 實(shí)驗(yàn)材料及結(jié)構(gòu)

1.1 材料

T300碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料性能見(jiàn)表1［21］。

表1 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能Tab.1 Properties of carbon fiber reinforced composite

1.2 螺旋槳結(jié)構(gòu)

研究對(duì)象為圖1 所示旋轉(zhuǎn)直徑為3.16 m 的五葉船用螺旋槳，具體尺寸參見(jiàn)文獻(xiàn)［21］。

圖1 船用復(fù)合材料螺旋槳Fig.1 Composite marine propeller

1.3 有限元模型

有限元建模前的葉片幾何模型處理方法［21］如圖2 所示，劃分為葉面和葉背兩部分，再將葉片兩部分各自的中面提取出來(lái)，用于Fibersim 軟件鋪覆模擬。被中面劃分開(kāi)的兩部分葉片沿其厚度方向只劃分1個(gè)單元，將Fibersim 軟件鋪覆模擬結(jié)果映射到每個(gè)單元中心點(diǎn)上。

采用ANSYS軟件進(jìn)行船用復(fù)合材料螺旋槳葉片建模及計(jì)算，最終的有限元模型見(jiàn)圖3，包含17 918個(gè)六面體單元和97 749 個(gè)節(jié)點(diǎn)，單元的z方向與葉片中面的法線方向基本一致。

圖2 葉片幾何模型處理示意圖Fig.2 Geometric model processing of propeller blade

1.4 鋪層與等效的材料參數(shù)

葉片的鋪層方式是從葉背表面到葉片中面以及從葉面表面到葉片中面順序鋪設(shè)，葉背和葉面的鋪層數(shù)量相同。

采用［0/45/0/-45］sn對(duì)稱鋪層考察纖維方向的變化以及對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，葉片各處鋪層均一致。鋪層角為纖維方向和單元x方向之間的夾角。不考慮真實(shí)纖維方向時(shí)，采用等效的各向異性材料參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)應(yīng)［0/45/0/-45］sn鋪層的等效性能參數(shù)如表2所示。

表2 材料的等效性能Tab.2 Equivalent properties of materials

2 結(jié)果與討論

2.1 鋪覆模擬

采用Fibersim 軟件依據(jù)鋪覆面上各鋪層的邊界及角度定義進(jìn)行復(fù)合材料鋪覆模擬。以葉背中面為鋪覆面的鋪層邊界如圖4所示，由于槳葉厚度在不斷變化各鋪層的鋪覆面積也在逐漸縮小。葉面中面為鋪覆面時(shí)鋪層邊界與圖4類似并一一對(duì)應(yīng)。

圖4 葉背中面上的鋪層邊界Fig.4 Ply boundaries on mid-surface of blade back

葉背部分中面處0°鋪層的模擬結(jié)果如圖5所示，圖中不僅顯示了葉片從葉根到葉尖各處真實(shí)的纖維方向，還顯示了纖維發(fā)生變形的區(qū)域和變形量。在葉身中部和靠近導(dǎo)邊的葉片局部鋪覆的纖維均有較大的變形。

圖5 葉背中面0°鋪層鋪覆模擬變形結(jié)果Fig.5 Distortion result of 0°ply draping simulation on mid-surface of blade back

纖維鋪覆變形會(huì)導(dǎo)致鋪層的角度產(chǎn)生偏差。圖6 顯示了葉背中面各角度鋪層纖維偏差的鋪覆模擬結(jié)果。

圖6 葉背中面鋪覆模擬角度偏差結(jié)果Fig.6 Deviation results of draping simulation on midsurface of blade back

圖6（a）中0°鋪層在葉身中部和導(dǎo)邊有較大的變形，真實(shí)纖維角度與設(shè)計(jì)角度相比偏差大于6°；除此以外，還可以看出纖維取向與槳葉截面中點(diǎn)的連線之間的夾角從葉根到葉尖不斷變大，葉尖處接近90°。圖6（b）中45°鋪層在隨邊和導(dǎo)邊附近有纖維角度偏差大于6°的較大變形；纖維取向與槳葉界面中點(diǎn)的連線之間的夾角從葉根開(kāi)始由45°逐漸減小，到葉身中部接近0°，到葉尖處夾角又增加到-45°左右。圖6（c）中-45°鋪層纖維角度偏差較大的位置與45°鋪層相似；纖維取向與槳葉界面中點(diǎn)的連線之間的夾角從葉根開(kāi)始由-45°逐漸增加至接近90°，到葉尖處夾角仍較大。葉面中面上的模擬結(jié)果與圖6相似。

2.2 模態(tài)分析

不考慮真實(shí)纖維方向時(shí)，均勻分布鋪層的螺旋槳葉片模態(tài)分析結(jié)果如圖7 所示。葉片前三階頻率分別為57.0、127.2 和165.4 Hz。采用Fibersim 軟件進(jìn)行鋪覆模擬，得到真實(shí)纖維方向后，計(jì)算得到的葉片模態(tài)分析結(jié)果如圖8 所示。均勻分布鋪層的螺旋槳葉片模態(tài)計(jì)算固有頻率結(jié)果見(jiàn)表3。對(duì)于均勻分布鋪層的螺旋槳葉片來(lái)說(shuō)，纖維方向的改變對(duì)頻率結(jié)果影響小于5%，振型也僅有微小的區(qū)別。

圖7 不考慮纖維方向改變的葉片模態(tài)分析結(jié)果 2×Fig.7 Modal analysis results of propeller blade ignoring fiber direction deviation

圖8 考慮纖維方向改變的均勻分布鋪層葉片模態(tài)分析結(jié)果 2×Fig.8 Modal analysis results of propeller blade considering fiber direction deviation

表3 固有頻率計(jì)算結(jié)果Tab.3 The results of natural frequency

2.3 均布?jí)毫d荷及熱載荷響應(yīng)分析

固支約束槳葉與槳轂的連接面，在葉面表面施加0.1 MPa的均布?jí)毫?，螺旋槳葉片的最大變形量如表4 所示。表4 中也顯示了同樣的約束條件下，固化后從180℃冷卻至20℃過(guò)程中螺旋槳葉片產(chǎn)生的最大位移。圖9 為均布?jí)毫d荷下復(fù)合材料螺旋槳葉片的位移分布，圖10 為熱載荷下復(fù)合材料螺旋槳葉片的位移分布。

由表4 和圖9 可以看出，均布?jí)毫d荷下復(fù)合材料螺旋槳葉片的變形兩種模型計(jì)算結(jié)果差異小于3%，這說(shuō)明纖維方向的變化并未對(duì)葉片的整體彎曲剛度造成太大的影響。由表4 和圖10 可以看出，熱載荷下復(fù)合材料螺旋槳葉片兩種模型的計(jì)算結(jié)果差異很大，考慮真實(shí)纖維方向時(shí)的變形量約為不考慮真實(shí)纖維方向時(shí)變形量的2倍。

表4 均布?jí)毫d荷及熱載荷下的分析結(jié)果Tab.4 Results of uniformly distributed pressure loads and thermal loads

圖9 均布?jí)毫d荷下的分析結(jié)果 2×Fig.9 Results of propeller blade under uniformly distributed pressure loads

圖10 熱載荷下葉片的分析結(jié)果 10×Fig.10 Results of propeller blade under uniformly distributed thermal loads

2.4 纖維取向變化及其影響

由圖6可知，纖維鋪覆變形會(huì)導(dǎo)致鋪層的角度產(chǎn)生偏差，局部區(qū)域纖維角度偏差大于6°。為了對(duì)纖維取向變化進(jìn)行定量分析，在葉面中面上取鋪覆原點(diǎn)和典型位置上的4個(gè)點(diǎn)，獲取這些點(diǎn)所在位置局部坐標(biāo)系下的纖維角度，纖維實(shí)際角度與設(shè)定角度之間的偏差代表纖維取向變化的具體數(shù)值。鋪覆原點(diǎn)及4 個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的位置如圖11 所示。0°、45°及-45°鋪層在鋪覆原點(diǎn)及4 個(gè)標(biāo)記點(diǎn)處的對(duì)應(yīng)角度如表5 所示。可以看出，從葉根往葉尖方向0°方向的鋪層在局部坐標(biāo)系下的角度與設(shè)定角度之間的偏差先逐漸增加然后減小，最大角度偏差超過(guò)35°。45°方向的鋪層在起始時(shí)接近設(shè)計(jì)角度，但越靠近葉尖角度偏差越大，最大角度偏差超過(guò)25°。-45°方向的鋪層在起始時(shí)以及點(diǎn)1、點(diǎn)3處接近設(shè)計(jì)角度，在其他2點(diǎn)處角度都發(fā)生較大變化，最大角度偏差超過(guò)30°。

從模態(tài)分析及均布?jí)毫d荷下復(fù)合材料螺旋槳葉片的變形可以看出，纖維取向的改變對(duì)這兩種工況的結(jié)果影響很小，這可能是不同部位纖維取向改變綜合作用的結(jié)果。而熱載荷下不考慮纖維真實(shí)方向時(shí)復(fù)合材料螺旋槳葉片的變形的計(jì)算誤差較大，差異主要是靠近葉尖的區(qū)域變形急劇增加造成的?？拷~尖的區(qū)域厚度較薄，線脹系數(shù)的不匹配更容易造成葉尖局部變形；纖維取向變化后，葉尖局部變形方式也發(fā)生較大變化，因此葉片在熱載荷下的最大變形受到纖維取向變化的影響較大?？傮w上看，由于復(fù)合材料螺旋槳葉片鋪覆面是復(fù)雜的空間曲面，因此纖維方向的變化規(guī)律比較復(fù)雜，纖維取向改變對(duì)復(fù)合材料螺旋槳葉片響應(yīng)的影響規(guī)律也比較復(fù)雜，基于鋪覆模擬進(jìn)行復(fù)合材料螺旋槳葉片實(shí)體有限元建模分析是十分必要的。

圖11 葉面中面上的鋪覆原點(diǎn)及4個(gè)標(biāo)記點(diǎn)Fig.11 Origin and 4 markers on mid-surface of blade face

表5 標(biāo)記點(diǎn)處3種鋪層的纖維實(shí)際角度Tab.5 True fiber angles of 3 layers at the markers

3 結(jié)論

（1）復(fù)合材料螺旋槳葉片各處鋪層均采用［0/45/0/-45］sn對(duì)稱鋪層時(shí)，不考慮纖維取向改變時(shí)葉片固有頻率及均布?jí)毫d荷下最大變形的計(jì)算結(jié)果誤差小于5%，熱載荷下考慮真實(shí)纖維方向時(shí)的最大變形量約為不考慮真實(shí)纖維方向時(shí)變形量的2倍。

（2）0°方向的鋪層在局部坐標(biāo)系下的角度與原設(shè)定角度之間的偏差最大超過(guò)35°，45°方向的鋪層最大角度偏差超過(guò)25°，-45°方向的鋪層最大角度偏差超過(guò)30°。

（3）為了避免因纖維方向不準(zhǔn)確導(dǎo)致計(jì)算誤差，在進(jìn)行復(fù)合材料螺旋槳葉片有限元分析時(shí)應(yīng)基于鋪覆后的真實(shí)纖維方向。