一种新型轻质螺旋桨的设计与制造方法

摘要

本发明涉及一种新型轻质螺旋桨的设计与制造方法，依据要求设计出螺旋桨的基本轮廓特征，然后螺旋桨桨叶内部通过拓扑优化得到栅格状空隙结构，同时，桨叶表面依照水动力学及生物仿真进行表面微结构处理；设计完成后的新型轻质螺旋桨通过增材制造技术一体化加工出螺旋桨的内部栅格及表面微结构。本发明的优点在于：采用新型表面微结构来减少摩擦阻力，提高表面水动力性能，从而达到减阻降噪的效果；螺旋桨内部采用栅格型的阵列空腔结构，用以降低螺旋桨的重量和能量损耗，提高单位质量下的推力，获得高的推重比；此外，应用増材制造技术加工新型螺旋桨，不仅解决了普通方法无法完成的加工任务，还可以降低新产品的开发及制造成本，缩短研发周期。

说明书

技术领域

本发明涉及船用动力推进系统关键部件螺旋桨的设计与制造技术，特别涉及一种新型轻质螺旋桨的设计与制造方法。

背景技术

为了提高船用主机推动的效率，螺旋桨作为一种能量转换器，新型节能的螺旋桨越来越受到人们重视。在螺旋桨推进系统中，要减少其能量损失，提高螺旋桨的效率，就要减少其周向能量损失。为了解决该问题就需要对当前螺旋桨的结构进行改进设计。但是，新型结构的螺旋桨若结构过于复杂，普通加工方法则无法实现。

随着快速原型制造技术的发展，增材制造金属成型技术可以解决上述复杂结构生产上的难点。且越复杂的结构，对于増材制造技术来说越有应用价值。该设计方法相比常规新产品设计方法不仅会降低开发成本，还可大大缩短设计周期，对我国螺旋桨新产品的开发与制造意义重大。而目前的螺旋桨，在使用中存在的振动、噪声以及能耗过大等问题。

因此，亟需研发一种新型轻质螺旋桨的设计与制造方法，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种新型轻质螺旋桨的设计与制造方法，以解决目前的螺旋桨，在使用中存在的振动、噪声以及能耗过大等问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种新型轻质螺旋桨的设计与制造方法，其创新点在于：依据要求设计出螺旋桨的基本轮廓特征，然后螺旋桨桨叶内部通过拓扑优化得到栅格状空隙结构，同时，桨叶表面依照水动力学及生物仿真进行表面微结构处理，优化当前桨叶的曲面特征；设计完成后的新型轻质螺旋桨通过增材制造技术一体化加工出螺旋桨的内部栅格及表面微结构。

进一步地，所述设计过程包括如下步骤：

（1）初始设计：依据载重和马力性能要求完成螺旋桨基本结构的初步设计，获得特定直径、螺距、螺距角和盘面比的螺旋桨，并对其进行建模；

（2）内部优化设计：以拓扑优化技术为基础，在保证桨叶强度的前提下，将螺旋桨桨叶厚度较大出的实心结构优化为栅格状空隙结构，作为桨叶的强度支撑；

（3）表面特征设计：桨叶内部优化完成后，对桨叶表面进行微结构设计；参考仿生学结构设计在工业中的应用，在螺旋桨表面设计出恰当的微结构特征；螺旋桨桨叶数目依据设计要求确定，只需对其中一个桨叶进行结构优化和表面设计，阵列得到其他桨叶，以保证各桨叶结构的一致性；

（4）设计结果分析：螺旋桨内部和表面结构设计完成后，将螺旋桨三维模型导入workbench 中，将螺旋桨计算域划分为大小两个流域，大流域的网格划分使用六面体网格，而小流域则采用四面体网格；基于FLUENT的螺旋桨敞水效率计算及压力分布，对螺旋桨通过数值模拟得到螺旋桨在不同进速系数下的推力和扭矩，通过计算得到螺旋桨的敞水效率以及桨叶压力分布规律；将分析结果与优化设计前的螺旋桨模型对比，若无显著改善则重复步骤（2），对桨叶结构重新优化设计；若与优化前的螺旋桨性能相比达到期望的优化目标，则螺旋桨结构设计完成。

进一步地，所述微结构特征可以是鱼尾纹状微特征、波纹状微特征或鱼鳞状微特征中的任一种。

进一步地，所述制造过程包括以下步骤：

（1）数据准备：首先，将设计好的新型轻质螺旋桨模型转换为增材制造设备可识别的数据，再将螺旋桨的三位数字模型进行切片处理，获得一定数目的截面轮廓；

（2）材料准备：在制造前储备足量的铜合金粉末，以及适量的蜡粉或塑料粉末；

（3）加工阶段：螺旋桨的生产通过増材制造多个截面逐层堆积一次加工成型，表面微结构的生成以及内部栅格结构的制造是同时进行的，不需要二次加工；同时，在加工过程中，选择在适当的部位设置支撑结构，且支撑结构的仅在制造过程中作为辅助结构，在工件加工完成后需要去除。

进一步地，所述步骤（3）中支撑结构的制造使用蜡粉或塑料粉末制造。

本发明的优点在于：本发明新型轻质螺旋桨的设计与制造方法，通过对螺旋桨的表面结构进行改进，采用新型微结构，减少摩擦阻力，提高表面水动力性能，从而达到减阻降噪的效果。螺旋桨内部采用栅格型的阵列空腔结构，从而降低螺旋桨的重量，提高单位质量下的推力，获得高的推重比；采用增材制造技术代替传统七轴五联动加工或者手工加工，可以实现样机的快速制造，从而在螺旋桨研发阶段，可以快速提供比例样机模型进行对比实验和性能检测；该方法即可以有效减少螺旋桨的设计成本与制造成本，同时也大大缩短了产品的开发周期。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明新型轻质螺旋桨的设计与制造方法的流程图。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例

本实施例新型轻质螺旋桨的设计与制造方法，依据要求设计出螺旋桨的基本轮廓特征，然后螺旋桨桨叶内部通过拓扑优化得到栅格状空隙结构，同时，桨叶表面依照水动力学及生物仿真进行表面微结构处理，优化当前桨叶的曲面特征；设计完成后的新型轻质螺旋桨通过增材制造技术一体化加工出螺旋桨的内部栅格及表面微结构；其中，设计与制造的具体过程，如图1所示，设计过程包括如下步骤：

（1）初始设计：依据载重和马力性能要求完成螺旋桨基本结构的初步设计，获得特定直径、螺距、螺距角和盘面比的螺旋桨，并对其进行建模；

（2）内部优化设计：以拓扑优化技术为基础，在保证桨叶强度的前提下，将螺旋桨桨叶厚度较大出的实心结构优化为栅格状空隙结构，作为桨叶的强度支撑；栅格状空心化结构减轻了螺旋桨的总体质量，进而降低能量损耗，提高能量转化效率，且桨叶边缘厚度较小位置处还是实心结构；

（3）表面特征设计：桨叶内部优化完成后，对桨叶表面进行微结构设计；参考仿生学结构设计在工业中的应用，在螺旋桨表面设计出恰当的微结构特征，该微结构特征可以是鱼尾纹状微特征、波纹状微特征或鱼鳞状微特征中的任一种；螺旋桨桨叶数目依据设计要求确定，只需对其中一个桨叶进行结构优化和表面设计，阵列得到其他桨叶，以保证各桨叶结构的一致性；其中，螺旋桨表面微结构特征的设置，主要用以降低螺旋桨的振动和噪音以及提高整体结构的固有频率，避开共振区；

（4）设计结果分析：螺旋桨内部和表面结构设计完成后，将螺旋桨三维模型导入workbench 中，将螺旋桨计算域划分为大小两个流域，大流域的网格划分使用六面体网格，而小流域则采用四面体网格；基于FLUENT的螺旋桨敞水效率计算及压力分布，对螺旋桨通过数值模拟得到螺旋桨在不同进速系数下的推力和扭矩，通过计算得到螺旋桨的敞水效率以及桨叶压力分布规律；将分析结果与优化设计前的螺旋桨模型对比，若无显著改善则重复步骤（2），对桨叶结构重新优化设计；若与优化前的螺旋桨性能相比达到期望的优化目标，则螺旋桨结构设计完成。

制造过程包括以下步骤：

（1）数据准备：首先，将设计好的新型轻质螺旋桨模型转换为增材制造设备可识别的数据，再将螺旋桨的三位数字模型进行切片处理，获得一定数目的截面轮廓；

（2）材料准备：在制造前储备足量的铜合金粉末，以及适量的蜡粉或塑料粉末；由于铜的化学活性低，金属活动性较差，在船上与锌块配合使用时不易腐蚀，且铜合金粉末在应用于増材制造中实施效果良好；

（3）加工阶段：螺旋桨的生产通过増材制造多个截面逐层堆积一次加工成型，表面微结构的生成以及内部栅格结构的制造是同时进行的，不需要二次加工；同时，在加工过程中，选择在适当的部位设置支撑结构，且支撑结构的仅在制造过程中作为辅助结构，在工件加工完成后需要去除；支撑结构的制造使用蜡粉或塑料粉末制造，以便于去除。

对制造出的新型轻质螺旋桨进行应用试验，通过将所设计螺旋桨模型进行一定比例的缩放，再通过增材制造快速得到原型样机，进而对所设计螺旋桨进行实际模型试验验证推进性能、振动、噪音等状况；若实验性能满足设计目标则可将该型号产品以设计尺寸正式进行制造，若产品性能不满足设计目标，则修改设计方案后再进行试验，直到达到设计目标后再进行实际生产应用。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。