一种复合材料螺旋桨的振动噪声数值预报方法

摘要

本发明提出了一种复合材料螺旋桨的振动噪声数值预报方法，所述方法包括以下步骤：步骤一、基于建立的螺旋桨几何模型，计算得到空泡数值模拟结果；步骤二、基于计算声学软件构建复合材料螺旋桨的声学计算模型，导入步骤一中得到的空泡数值模拟结果，计算出声音接收点处的声音压强信号以及分析空泡辐射噪声在不同位置处的衰减变化规律。本发明能够很好地预测螺旋桨振动噪声辐射情况，为低噪音螺旋桨设计提供参考，该方法简单，成本低，可大大降低复合材料螺旋桨在研发时的时间和成本，提高工作效率，满足复合材料螺旋桨在研发时的实际使用要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料螺旋桨的振动噪声数值预报方法，属于复合材料螺旋桨噪声技术领域。

背景技术

随着船舶的发展逐步趋于大型化与高速化，螺旋桨桨叶的负荷不断加大，空化现象愈发不可避免。当螺旋桨表面有空泡产生时，在发生空泡的这一区域，桨叶表面压力约为蒸汽压力，这势必破坏桨叶原本全湿流时的水动力规则，影响螺旋桨的水动力性能，降低螺旋桨推进效率；与此同时，空泡溃灭时，桨叶与两相流在空泡区域有着强烈的相互作用，会对桨叶造表面材料造成严重剥蚀；更为重要的是，空化现象还会产生空化噪声，对船舶的舒适性和安全性造成严重影响。传统金属螺旋桨在空化发生时极易产生空化剥蚀，且由于金属声学阻尼性能较差，易产生振动进而引发噪声。如何有效预报螺旋桨空化现象及空化噪声，对提高螺旋桨的推进性能及噪声性能至关重要。

查阅国内外相关文献可知，关于复合材料螺旋桨的研究多集中在流固耦合设计及制备工艺方面，有关复合材料螺旋桨空化性能及空化噪声的报道较少。本发明紧密围绕复合材料的特性，利用计算流体力学(CFD)方法、计算声学方法(CAA)与有限元方法(FEM)相结合，提出了一种复合材料螺旋桨的振动噪声数值预报方法，以快速实现复合材料螺旋桨的低空化设计，有效控制空化噪声。

发明内容

本发明的目的是提出一种复合材料螺旋桨的振动噪声数值预报方法，以解决现有的螺旋桨空化现象严重以及空化噪声大的问题。

一种复合材料螺旋桨的振动噪声数值预报方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、基于建立的螺旋桨几何模型，计算得到空泡数值模拟结果；

步骤二、基于计算声学软件构建复合材料螺旋桨的声学计算模型，导入步骤一中得到的空泡数值模拟结果，计算出声音接收点处的声音压强信号以及分析空泡辐射噪声在不同位置处的衰减变化规律。

进一步的，步骤一具体包括以下步骤：

步骤一一、根据螺旋桨的设计尺寸，利用三维构型软件构建螺旋桨的几何模型；

步骤一二、基于所述几何模型，利用计算流体力学前处理器建立计算流体域，并进行网格划分，完成水动力模型的构建；

步骤一三、利用有限元软件建立复合材料螺旋桨的有限元模型；

步骤一四、基于水动力模型及有限元模型，进行复合材料螺旋桨的空泡性能仿真计算，得到空泡数值模拟结果，并进一步对比得到复合材料螺旋桨与金属材料螺旋桨在水动力性能以及空泡性能的差异；

步骤一五、将流体分析软件中得到的空泡数值模拟结果存储为通用的Ensight格式，以用于后续空泡噪声性能分析。

进一步的，步骤二具体包括以下步骤：

步骤二一、利用计算声学软件构建复合材料螺旋桨的声学计算模型，并在声学计算模型中设置多个监测点，所述声学计算模型包括声学有限元和声学无限元；

步骤二二、在计算声学软件中导入流体分析软件中得到的空泡数值模拟结果，将CFD基本量转化为声源，将声源利用积分法插入到声学网格中，并通过傅里叶变换，利用求出的声源数据计算声音接收点处的声音压强信号；

步骤二三、利用声学软件计算得到声源信号的传播过程，导出预设的多个监测点的声压变化曲线以及功率谱密度曲线，对比分析空泡辐射噪声在不同位置处的衰减变化规律。

进一步的，所述声学有限元，用于模拟近声场的振动声辐射；所述声学无限元，用于模拟远场辐射。

本发明的主要优点是：本发明涉及一种复合材料螺旋桨的振动噪声数值预报方法，具体涉及船舶复合材料螺旋桨振动噪声预报的数值计算，能够很好的预测螺旋桨振动噪声辐射情况，为低噪音螺旋桨设计提供参考，该方法简单，成本低，可大大降低复合材料螺旋桨在研发时的时间和成本，提高工作效率，满足复合材料螺旋桨在研发时的实际使用要求。

附图说明

图1为流固耦合过程示意图；

图2为流致振动噪声分析示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种复合材料螺旋桨的振动噪声数值预报方法的一实施例，所述方法包括以下步骤：

步骤一、基于建立的螺旋桨几何模型，计算得到空泡数值模拟结果；

步骤二、基于计算声学软件构建复合材料螺旋桨的声学计算模型，导入步骤一中得到的空泡数值模拟结果，计算出声音接收点处的声音压强信号以及分析空泡辐射噪声在不同位置处的衰减变化规律。

在本部分优选实施例中，步骤一具体包括以下步骤：

步骤一一、根据螺旋桨的设计尺寸，利用三维构型软件构建螺旋桨的几何模型；

步骤一二、基于所述几何模型，利用计算流体力学前处理器建立计算流体域，并进行网格划分，完成水动力模型的构建；

步骤一三、利用有限元软件建立复合材料螺旋桨的有限元模型，对于变厚度厚壳型复合材料螺旋桨桨叶，可采用实体单元进行构建，对于夹芯型复合材料螺旋桨桨叶，可采用壳单元与实体单元联合构建，根据设计需要、设计工况及桨叶型面，确定不同的铺层方案、夹层厚度、材料体系(如纤维选用碳纤维、玻璃纤维、kevlar纤维等，树脂选用环氧基、乙烯基树脂等)等；

步骤一四、基于水动力模型及有限元模型，搭建复合材料螺旋桨的瞬态流固耦合数值模拟仿真平台。通过定义边界条件及流固耦合界面、设置流体计算参数(流体类型，湍流模型)，指定FSI的相关参数(耦合方式，耦合时间，耦合步长，迭代次数，收敛标准等)，输出.dat文件和.def文件分别作为结构部分和流体部分的耦合文件进行瞬态流固耦合求解计算；

步骤一五、在瞬态耦合计算过程中，分别以流动参数及动力学参数达到相应的收敛标准为判据，以总时长及耦合时间步长为依据，将流体压力及结构位移分别作为两个求解器的交换信息在耦合界面进行数据传递，最终输出时程下复合材料螺旋桨的脉动压力结果作为输入以用于后续振动噪声分析。整个流固耦合过程示意图如图1所示。

在本部分优选实施例中，步骤二具体包括以下步骤：

步骤二一、利用计算声学软件构建复合材料螺旋桨的声学计算模型，该模型包括声学有限元、声学无限元两部分。声学有限元模拟近声场的振动声辐射，声学无限元模拟远场辐射。声学有限元网格可在声学前处理软件(如Patran、Hypermesh、ICEM等)中直接构建，声学无限元网格则通过确定有限元网格的包络面作为无限元基底进行定义。为了研究脉动压力在桨盘面和桨轴方向的激振情况，还需在声学计算模型中设置多个监测点，以便于后续分析x轴向和y周向的脉动压力及辐射噪声情况；

步骤二二、利用声学软件，提取步骤一四考虑流固耦合效应后的复合材料螺旋桨表面的周期性脉动压力，并通过傅里叶变换将时域下的脉动压力转换为频域下的脉动压力载荷；

步骤二三、创建直接频率分析，通过Point Load的方式将频域下的脉动压力作为声源激励，计算不同频率下的振动声辐射，提取螺旋桨轴向和盘向各监测点的声压量级，分析噪声衰减变化规律，其中，声源信号的传播过程是指包括沿着不同方向上，在不同位置的声音信号强度的一个变化。整个流致振动噪声分析过程如图2所示。