复合材料船用螺旋桨设计与CFD/FEM计算

将基于RANS方程的计算流体力学方法与有限元方法相结合,沿着螺旋桨水动力性能计算、复合材料螺旋桨建模及结构铺层设计、CFD/FEM载荷传递、复合材料螺旋桨结构力学性能计算,水动力性能收敛判定的设计分析流程,完成了某种螺旋桨桨叶的初步的设计过程.提出一种预变形策略以改进复合材料螺旋桨的综合性能.计算结果表明,该复合材料螺旋桨能够满足预定设计指标的要求,在达到传统金属螺旋桨水动力性能要求的同时,减重30%,运行效率增加.研究结果充分说明了所采用设计方法的可行性.     

碳纤维/聚酯纤维混杂环氧树脂复合材料制备 及其性能研究

为了探究织物组织结构、铺层角度对复合材料力学性能的影响,采用真空辅助树脂传递模塑工艺,设计并制备不同织物组织结构（平纹和2/2斜纹布）和不同的铺层角度（0°、45°、90°）共计6种碳纤维/聚酯增强层合板和1种碳纤维增强层合板,对所有样品进行弯曲和摆锤冲击实验。实验结果表明,聚酯纤维的加入有效改善了复合材料的韧性;相比斜纹、平纹组织具有更多的交织点,表现出优异的能量吸收能力;铺层角度的不同导致材料在不同方向上两种纤维含量的不同,造成在特定方向上刚韧性表现不同。研究结果表明聚酯纤维的加入可以在降低材料成本的同时改善碳纤维复合材料的综合力学性能。     

非等厚碳纤维复合材料弹性膜盘结构的设计及制作

为更好地改善传动系统中轴系的运行情况,结合复合材料的优良性能,设计制作一非等厚的碳纤维复合材料弹性膜盘结构以替代弹性联轴器中的Ti合金弹性膜盘结构.基于ABAQUS软件,分析复合材料铺层角度以及铺层角度比例对复合材料弹性膜盘结构性能的影响;利用复合材料层合板的"等代设计法",基于ABAQUS软件,设计一非等厚的、与Ti合金弹性膜盘结构具有同等扭转刚度性能的碳纤维复合材料弹性膜盘结构;采用模压成型工艺制作碳纤维复合材料弹性膜盘结构并对其传递扭矩的能力和轴向位移补偿能力进行试验测试.结果表明:非等厚的碳纤维复合材料弹性膜盘结构可传递扭矩5 kN·m,轴向位移补偿能力可达到3.5 mm,可用做弹性联轴器中的弹性元件.     

空间机器人碳纤维机械臂动态设计的初步优化法

为适应空间机器人特殊的工作环境,本文依据优化设计理论,采用结构有限元分析方法,并与结构优化设计理论结合,对空间机器人碳纤维机械臂有限元数值分析的结果,进行结构优化分析和设计,获得了优化结构;随后,对碳钎维臂的不同铺层厚度以及同一厚度的纤维不同铺层角度的结构受力情况进行了详细的数值计算分析,得到较理想的机械臂的纤维铺层方法和铺层厚度。     

碳纤维复合材料薄壁箱梁剪力滞后效应数值分析

薄壁箱梁加载时,同一截面靠近腹板处的翼缘板正应力与远离翼缘板处的应力不相等,表现出剪力滞后效应,平截面假定不再适用.碳纤维复合材料薄壁箱梁在纤维铺层角度、梁跨度变化时,剪力滞后效应表现出不同的变化规律.运用ANSYS有限元软件对碳纤维复合材料薄壁简支箱梁进行数值模拟,研究当纤维铺层角度、荷载形式一定时,剪力滞后效应随梁跨度的变化规律,得出碳纤维复合材料薄壁箱梁随着梁跨度增大而剪力滞后效应降低,当跨宽比超过一定值时,剪力滞后效应不明显,此规律可为新型结构箱梁设计及施工提供借鉴.     

斜流中螺旋桨非定常水动力性能的数值分析

斜流是一种相对简单的非均匀来流,其加剧了船艉伴流场的非均匀性,对螺旋桨非定常力非常不利。为了探讨斜流中螺旋桨水动力性能与受力变化的一般规律,本文对DTMB4679螺旋桨斜流中的非定常水动力性能进行计算。计算结果表明:在斜流工况下,桨叶表面压力分布不均匀,是激振力产生的根本原因,并且桨叶表面压力分布不均匀性随进速系数的减小而增大;单片桨叶的受力的脉动幅度随斜流角度的增大而增大;在不同的斜流角度、进速系数下螺旋桨涡结构云图也表现出一定的变化规律。     

复合材料制品模压成型有限元分析

针对某运动器材的碳纤维复合材料加固件进行加工过程的有限元分析.鉴于纤维复合材料属于热固性和热塑性材料,适合采用模压成型工艺.将碳纤维复合材料毛坯料进行预热软化,然后将毛坯置入模腔内合模,将模具加热固化成型.因模压时工作压力较大,且需保持一段时间,制品可能产生较大应力.对制品模压成型过程进行有限元模拟和分析,为复合材料产品设计和模具设计提供优化设计依据.考察了4种常见的铺层方式,讨论了铺层对结构强度的影响.     

基于参数化模型的船用螺旋桨的数控加工

为实现螺旋桨的参数化设计及数控加工,根据螺旋桨桨叶的几何结构和成型原理建立桨叶曲面的参数化数学方程;分析螺旋桨的加工工艺,基于桨叶参数化数学方程计算五轴加工螺旋桨的刀位点和刀轴矢量,并通过后置处理将刀位信息转化为机床运动,得到数控加工程序,在Vericut中进行螺旋桨数控加工仿真。结果表明:基于参数化方程的设计方法提高了桨叶曲面的设计效率和准确性;加工仿真结果验证了刀具路径和数控程序的可行性,满足螺旋桨的加工要求;基于桨叶参数化数学模型可以自动生成数控程序,提高螺旋桨的数控编程效率和加工精度。     

层合复合材料簧片单元弯曲力学性能

为提高空间可展铰链的运行稳定性和可靠性,减轻结构质量,研究了碳纤维增强层合复合材料簧片单元的弯曲性能.以衡量簧片驱动能力的应变能、稳态弯矩以及簧片自锁能力的屈曲临界弯矩为力学性能指标.分析了可折叠自展开的簧片单元在弯曲折叠过程中,复合材料铺层角度、铺层厚度和簧片截面半径对各性能指标的影响.研究结果表明:随着复合材料铺层角度的增加,簧片驱动能力增强,但其自锁能力基本不变;随着复合材料铺层厚度和截面半径的增加,簧片的驱动能力和自锁能力均增强;随着材料铺层角度、截面半径的增加,簧片的横截面出现截面变形现象且伴随微小回弹.研究结果对于空间簧片式铰链驱动性能的改进具有一定的参考价值.     

船舶螺旋桨流固耦合稳态求解算法

为了研究复合材料变形特性对螺旋桨水动力性能的影响,运用计算流体力学(CFD)理论,结合雷诺时均纳维斯托克斯(PANS)方程和3种湍流模型,计算了螺旋桨的敞水性能并将其和试验结果进行了对比,两者吻合较好,验证了流体计算的准确性.推导了变形后的螺旋桨纵倾、侧斜、叶切面螺距以及拱度等几何参数,并将CFD软件计算和有限元求解耦合起来,即首先利用流体计算软件计算桨叶压力载荷,再将流体载荷通过插值技术传递给有限元,计算出螺旋桨的变形,然后再将变形后的桨叶几何输入流体计算软件,反复迭代,直至结果收敛的过程,实现了螺旋桨稳态性能求解的流固耦合算法.该算法可以计算螺旋桨在不同转速和进速下的应力分布和变形,能够求解螺旋桨变形后的压力分布和水动力性能,适用于复合材料螺旋桨的设计.     

船后桨的布局对螺旋桨水动力性能的影响

为了研究大型水面船舶船桨干扰作用对螺旋桨的水动力性能的影响,探讨船后螺旋桨的布置设计原则,以某大型四桨水面船舶为研究对象,基于RANS( Reynolds-averaged Navier-Stokes)方法,建立了船桨整体计算模型,重点研究了螺旋桨的相对纵向和横向布置位置的变化对螺旋桨水动力性能的影响.数值计算结果表明:对于四桨船舶,船后螺旋桨的水动力性能对螺旋桨的纵向位置移动不是很敏感,而对螺旋桨横向位置移动则比较敏感,应当尽量避免使同侧两螺旋桨的盘面中心横向距离小于1倍螺旋桨直径.     

A flight experimental platform for synchrophasing control based on a small propeller UAV

Turboprop engine has the advantages of high efficiency and high thrust, but it has not been widely used in the civil field because of the noise excited by the low speed propellers. Propeller synchrophasing control is an active noise control method without increasing the weight of the airframe, which can attenuate the noise level in the cabin by controlling the relative phase among multiple propellers. It is generally accepted that altitude and airspeed have a great influence on the noise reduction effect of propeller synchrophasing, but there is no theoretical research about how these two factors affect the noise level. Therefore, flight experiment is considered to be a credible way. However, flight experiments of propeller synchrophasing control in turboprop aircraft have been accomplished in few countries due to enormous cost and inconvenience. An experimental platform of synchrophasing control based on a two-propeller small unmanned air vehicle (UAV) is proposed which can carry out the flight experiment research in a low-cost way. The phase angle sensor, the FOC-based scheme of motor driving, the all-slave synchrophasing control and the coordination between speed and phase difference control are presented in the UAV platform to meet its synchrophasing control precision requirement, experimental results prove that all of them can significantly enhance the performance of synchrophasing control. Noise characteristics of propellers are studied in the flight experiments, the noise predicted by the noise model is highly consistent with the actual measured noise, which verifies that the noise characteristics of small UAV accord with propeller signature theory. Based on the noise model, propeller synchrophasing has a steady effect to minimizing noise in the UAV platform. These show that the UAV platform is a feasible solution for propeller synchrophasing research.     

复合材料尖削结构同级优化方法研究及ISIGHT实现

现有复合材料优化方法在进行尖削结构优化时,设计变量多而且难以保证纤维的连续性,文章提出了一种基于尖削结构模型的复合材料的同级优化方法。通过引入了铺层组、铺层组厚度、铺层组铺层顺序和铺层组距离变量等参数,在不影响优化结果的同时能有效的减少设计变量个数,并保证纤维的连续性。文章借助商业软件ISIGHT实现了该同级优化方法,采用某层合板优化问题验证了该方法的有效性。     

纤维复合材料设计中的可视化技术

纤维合材料是由纤维和树脂基体组成的一种新材料,它的性能受组分材料性能以及各铺层的铺设方式等诸多因素的影响。利用可视化设计方法将复合材料的主要设计指标绘制成等值线,设计人员通过人机对话即可完成对复合材料的设计工作,并且给出了设计实例。这种设计方法可以广泛应用于其它工作领域。     

New actuator disk model for propeller-aircraft computation

There is a growing interest in propellers for transport aircraft as well as regional airliners from the viewpoint of energy saving. An important consideration for utilizing a propeller propulsion system on aircraft is the aerodynamic interaction between the propeller slipstream and other aerodynamic surfaces. It is therefore necessary to use a simplified but relatively accurate tool for propeller modeling, with the widely used actuator disk model. The advantage of this model is that it is easy to use and inexpensive in terms of computation time required. In addition, it also produces acceptable results. In this study, a new regionalized actuator disk model was utilized in the analysis of propeller slipstream interference effects on a real four-propeller aircraft. The results are compared with the cases of inactive actuator disks, which shows that the propeller slipstream causes an increase in the lift and drag coefficients. An evident yawing effect caused by the rotating slipstream was noticed, which should be taken into account in the design phase. The regionalized actuator disk model is evaluated as a fast and relatively accurate model for propeller preliminary design.     

复合材料层合板斜切型挖补修理试验

为研究拉伸载荷作用下不同挖补角和附加层数对复合材料胶接挖补修理接头刚度、强度、失效模式及关键位置应变变化的影响,开展了复合材料层合板斜切型挖补修理接头拉伸试验.采用一种碳纤维织物增强树脂复合材料作为母板与补片材料,一种改性环氧树脂胶膜作为胶层材料,设计了斜切挖补角分别为1.8°、2.6°、3.5°、4.4°,附加一附加层或二附加层的斜切型挖补修理试验件.拉伸试验结果表明,在1.8°至4.4°挖补角范围内,所研究的接头刚度和强度随挖补角的增大而减小.附加层数的增加能够有效提升接头的刚度及强度.接头的失效可以概括为四种模式,与挖补角及附加层数目相关。接头关键位置点的纵向应变变化能够动态反映接头的失效过程.     

螺旋桨空化噪声谱模型及结构特征

为研究螺旋桨低频空化噪声线谱的结构特征,考虑了桨叶的非均匀性和空化过程的非严格周期性,改进了螺旋桨空化过程模型,用统计方法求解了空化噪声的平均功率谱.分析了典型的空化谱特征及其在舰船航行状态不稳定和存在近场干涉时的变化情况.结果表明:典型的螺旋桨低频空化噪声线谱存在能反映叶片数的成组结构;舰船航行状态不稳定时,空化过程的周期性较弱,谐波较少;声源与接收器距离较近以及双车螺旋桨是常见的近场干涉情况,此时,线谱谐波结构发生变化.航行状态不稳定及近场干涉情况下线谱谐波结构都难以反映正确的叶片数特征.     

斜交层合板的可靠性分析与最优结构的鲁棒性

针对复合材料强度行为的复杂性和准确预测的困难，提出研究复合材料强度（可靠性）鲁棒性的必要性。初始缺陷和强度参数做为随机变量，采用一阶矩法（FORM）和Tsai-Wu/Tan准则计算板的失效概率，在此基础上，研究了最优斜交层合板的可靠性指标相对载荷以及铺层角的变动所具有的稳定性特征，为复合材料的合理设计与利用提供一种新的分析思路和方法。