(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210579462.8 (22)申请日 2022.05.26 (71)申请人 大连理工大 学 地址 116024 辽宁省大连市甘井 子区凌工 路２ 号 (72)发明人 牛斌　孙振华　杨睿　孙士勇　 于浩俣　 (74)专利代理 机构 辽宁鸿文知识产权代理有限 公司 21102 专利代理师 许明章　王海波 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 113/26(2020.01) G06F 119/14(2020.01)G06F 119/18(2020.01) G06F 111/04(2020.01) (54)发明名称 一种面向螺旋桨缩比相似模型的定频复合 材料桨叶结构设计方法 (57)摘要 本发明属于复合材料结构技术领域， 提出了 一种面向螺旋桨缩比相似模型的定频复合材料 桨叶结构设计方法。 该缩比定频复合材料螺旋桨 桨叶结构 由桨叶根肋、 表面的复合材料蒙皮、 内 部的复合材料芯体和增材制造技术制备的芯体 组成。 该结构设计方法将蒙 皮材料、 分区、 铺层的 设计与芯体材料、 结构形式的设计结合， 同时结 合制造约束改变结构局部或整体的刚度与质量 分布， 如此通过蒙皮与芯体的优化， 完成了考虑 制造性的缩比相似桨叶结构的定频优化。 权利要求书2页 说明书6页 附图2页 CN 114880807 A 2022.08.09 CN 114880807 A 1.一种面向螺旋桨缩比相似模型的定频复合材料桨叶结构设计方法， 其特征在于， 该 复合材料缩比螺旋桨结构由桨毂(1)与复合材料桨叶(2)连接而成； 复合材料桨叶(2)结构 包括桨叶蒙皮(3)、 桨叶芯体(4)和根肋(5)； 桨叶蒙皮(3)包括上下蒙皮， 主要由复合材料组 成， 蒙皮内部与桨叶芯体(4)连接， 桨叶芯体(4)分为两部 分， 叶根较厚部 分由复合材料组成 的实心结构(6)， 叶梢较薄部分连接实心结构(6)的夹芯结构(7)； 夹芯结构(7)由增材制造 技术制备， 根肋(5)连接于桨叶根部； 通过选择合适的材料， 对桨叶蒙皮(2)进 行考虑制造性 的分区铺层铺角优化、 桨叶夹 芯结构(7)进 行结构形式的确定及 优化设计， 实现螺旋桨缩比 相似模型的复合材 料桨叶的定频 结构优化设计。 2.根据权利要求1所述的缩比定频复合材料螺旋桨桨叶结构设计方法， 其特征在于， 首 先根据原尺寸桨叶的固有频率， 结合由相似准则推导的频率比得到缩比相似复合材料桨叶 结构的目标固有频率； 根据目标固有频率与桨叶的蒙皮芯体结构特征建立多阶频率优化模 型： s.t.Ω1b≤Ω1≤Ω1t， mb≤m≤mt， pm＝c1， pd≤c2， ps≤c3, θw＝c4. xnb≤xn≤xnt(n＝1,2,···,q) 上式中， Ωia为设计模型 的第i阶目标频率； Ωis为设计模型 的第i阶频率， Wi为第i阶频 率差值的权重， 有 故优化目标为最小化结构前p阶各阶频率差值的和， 且可通过 改变权重值突出重要阶数的频率； Ω1为设计模型的第一阶固有频率； m为结构的质量； 同时 在蒙皮优化 过程中加入制造 性的考量， pm为铺层单层厚度， pd为相邻分区层合板之间的丢层 厚度， ps为允许的最大连续相同铺层数量， θw为结构表面铺层的角度约束； c1、 c2、 c3为常数， c4为某一指定的铺层角度或铺层角度组合； xn为设计模型中的设计变 量， 蒙皮优化时其设计 变量为蒙皮各分区单元的厚度、 铺层角度、 铺层顺序， 其中铺层厚度为离散变量， 取值为pm 或其倍数； 铺层角度为连续变量， 取值范围为0 °～180°； 铺层顺序则是优化不同角度铺层的 铺放顺序； 芯体夹芯结构优化时根据结构形式其设计变量可以为梁肋的厚度、 单元体分比、 孔洞的位置或尺寸； 约束中变量上 标b、 t表示各变量的下限、 上限； q为设计 变量的个数。 3.根据权利要求1所述的缩比定频复合材料螺旋桨桨叶结构设计方法， 其特征在于， 将 桨叶蒙皮(3)划分成若干分区， 分区划分的规则是各分区形状规则、 无狭长边和圆角， 且分 区内桨叶的厚度差值在给定阈值内； 选择铺层形式和材料， 对 各个分区的铺层厚度、 铺层角 度、 铺层顺序进行优化设计。 4.根据权利要求1所述的缩比定频复合材料螺旋桨桨叶结构设计方法， 其特征在于， 所 述夹芯结构(4)的结构形式是梁肋结构、 拓扑 结构、 周期孔洞阵列结构中的一种。 5.根据权利要求1所述的缩比定频复合材料螺旋桨桨叶结构设计方法， 其特征在于， 所权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114880807 A 2述桨叶蒙皮(3)与实心结构(6)为变厚度复合材料层合壳； 复合材料层合壳由增强体和基体 组成， 碳纤维、 玻璃纤维、 芳纶纤维、 表面毡、 加强毡中的一种或以上组合为增强体， 环氧树 脂、 聚酯树脂、 乙烯基酯、 双马来 酰胺、 热固性聚酰 亚胺、 氰酸酯中的一种为基 体。 6.根据权利要求1所述的缩比定频复合材料螺旋桨桨叶结构设计方法， 其特征在于， 所 述根肋(5)所用材 料为45号钢、 A3钢、 40Cr、 HT150、 复合材 料中的一种。 7.根据权利要求1所述的缩比定频复合材料螺旋桨桨叶结构设计方法， 其特征在于， 所 述夹芯结构(7)所用材 料为树脂、 复合材 料、 尼龙、 不锈钢 、 铝合金中的一种。 8.根据权利要求1所述的缩比定频复合材料螺旋桨桨叶结构设计方法， 其特征在于， 所 述桨毂(1)为铝合金、 铜合金、 复合材 料中的一种。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114880807 A 3