复合材料水翼水动力与结构强度特性数值研究

针对复合材料水翼存在的流固耦合求解问题,结合其自身特有属性,对复合材料水翼结构变形特性进行了数值仿真计算研究.研究建立了复合材料水翼流固耦合数值计算模型,并将数值计算结果与Zarruk等的实验结果进行对比,验证模型的正确性,得出复合材料水翼尖端扭转角随雷诺数的增加而增加的研究结论.基于数值计算模型,系统地研究了不同铺层角对复合材料水翼水动力特性及强度特性的影响,结果表明:不同铺层角复合材料水翼的尖端扭转角,随铺层角的增大而减小,而其尖端位移量随铺层角的增大先减小后增大.为了削弱工程常数的影响对复合材料水翼变形的影响,研究提出了无量纲扭转角和无量纲位移量,进一步探究复合材料水翼结构的弯扭耦合作用对其变形特性的影响.最后利用蔡-吴失效准则进行复合材料水翼强度特性的判断和分析,结果表明:不同铺层角复合材料水翼的蔡-吴系数,随铺层角的增大呈现先减小后增大的趋势,其中0°铺层时的复合材料水翼蔡-吴系数最小,50°铺层时的复合材料水翼的蔡-吴系数最大.

纤维增强树脂基复合材料水翼阻尼特性研究

针对不同铺层工况下复合材料水翼的结构阻尼和水力阻尼进行研究和分析,以NACA0009复合材料梯形水翼为模型,建立了复合材料水翼结构阻尼和水力阻尼计算方法。基于模态应变能法的结构阻尼计算方法研究了不同纤维的铺层角度、阻尼层分布位置、阻尼层厚度及纤维厚度等对复合材料水翼结构阻尼的影响规律。结果表明:0°铺层阻尼损耗因子小于+30°和-30°铺层;随着阻尼层离中心层的距离增大,阻尼层受到的约束逐渐增强,阻尼损耗因子因此增加;单层阻尼层厚度和纤维厚度对阻尼损耗因子的影响不大。基于复合材料水翼模态特性分析表明,复合材料铺层角影响水翼的模态振型和频率,相比于0°铺层,+30°和-30°铺层水翼的一阶模态频率降低,二、三阶模态频率升高。模态频率越大,对应的模态阻尼比越小。同时,研究了不同铺层水翼的水力阻尼,相比于0°铺层,+30°和-30°铺层水翼的水力阻尼比更大。该成果为复合材料螺旋桨减振降噪结构设计提供指导。

复合材料水翼水动力响应数值模拟研究

该文针对NACA0009复合材料梯形水翼进行流固耦合数值计算,研究复合材料水翼水力阻尼及水弹性响应特性。研究建立了复合材料水翼流场模型、结构模型、流固耦合计算模型及湿模态模型,并利用实验结果对模型进行验证。模态分析结果表明:复合材料铺层角φ影响水翼模态振型,相比于φ=0°铺层,φ=+30°铺层和φ=-30°铺层水翼的一阶模态频率降低,二阶和三阶模态频率升高。研究进一步对水翼振动过程的阻尼特性进行分析,得到了水力阻尼比与流速的经验关系式,复合材料水翼水力阻尼比与流速成正比,且相比于φ=0°铺层,φ=+30°铺层和φ=-30°铺层水翼的水力阻尼比更大。分析了不同流速下复合材料水翼的水动力载荷特性:对于稳态水动力载荷,φ=+30°铺层水翼的载荷系数随流速增加而增大,φ=-30°铺层随流速增加而减小,φ=0°铺层随流速增加而略有增加;对于瞬态水动力载荷,初步分析表明,水翼受到的水动力作用形式与铺层角相关:相较于流速,铺层角φ对瞬态载荷分布的影响更大,且φ=+30°铺层水翼吸力面尾缘附近所受水动力比φ=0°铺层更大。