螺旋桨结构优化设计
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作者: 郭恩玉 张冰波 高晓波
摘要：传统的螺旋桨结构设计，一般是凭借经验或对样件进行测绘仿制，为保证性能安全可靠，往往设计的安全系数过大、笨重、浪费材料，达不到最优状态。该文通过分析利用有限元分析方法和结构优化方法对螺旋桨主要受力件的强度进行分析，根据分析结果，在确保结构安全、性能可靠、足够的强度和刚度的前提下使结构更加合理。
关键词：结构优化；螺旋桨；有限元
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）35-8156-02
结构优化设计是一门新兴的技术科学，是以现代数学、现代力学的数值方法为基础，以电子计算机系统为工具，研究结构设计自动化和优化的理论和方法。飞行器、船舶、桥梁等的结构设计，其最重要的要求就是要使所设计的结构在外力作用下既有足够的强度和刚度，又要具有尽可能轻的结构重量或低的成本，从而改善其工作性能，并节约资源和提高经济效益。
空气螺旋桨飞机与涡扇飞机相比具有省油、对机场跑道要求低和便于空投救援等优点。作为载机平台，螺旋桨是吸收发动机功率并产生飞机飞行所需拉力的部件，是螺旋桨飞机前进的动力。研制先进的螺旋桨飞机，就必须研制先进的螺旋桨。螺旋桨是安装在航空发动机上的旋转动部件，又是主要的承力构件。在设计时既受结构尺寸的限制，又有重量约束。为此，对所设计的螺旋桨的主要受力件需进行强度分析，在满足强度和刚度要求的前提下，对螺旋桨的结构进行优化，以减轻螺旋桨重量。
鉴于目前国内对螺旋桨的整体结构优化设计没有形成一套完整的理论和方法，该文通过有限元法对某型螺旋桨的主要受力件进行静强度分析，根据分析的结果，从零件材料、产品结构和产品使用的角度进行优化，并对优化后的结果进行强度校核。根据分析结果，在确保结构安全性能可靠的前提下，保证有足够的强度和刚度，减轻螺旋桨整体重量，合理优化结构。
1 有限元分析方法及软件在螺旋桨结构分析中的应用
有限元方法主要包括计算原理、计算机软件、计算机硬件三个方面的应用与实施。有限元分析法主要是运用离散概念，把连续的弹性体进行划分，划分成一个集合体，这个集合体由无数有限小单元组成，通过单元分析和组合，得到一组联立的代数方程，最终求得数值解。它不但可以解决工程中的线性问题，非线性问题，而且对于各种不同性质的材料均能求解。将计算机软件应用于一定环境下的特定结构进行有限元分析时，对结构的分析模型、边界条件及载荷的模拟需要一定的经验和技巧。在对复杂结构进行整体分析建模过程中，可供选择使用的单元有上百种。求解的精度和收敛的速度取决于单元的选用、结点的布局、网格的生成。对应于不同的分析目标同样的工程结构，建立的模型是不一样的。这就要求分析者深入地理解和正确的判断所分析的物理问题。在很大程度上，分析模型与实际结构的差异决定了计算结果的正确性和可靠性。
螺旋桨由于整体结构、零件外形、受力复杂，利用MSC公司有限元软件Patran的MSC.Patran、MSC.Nastran模块，对螺旋桨的主要受力件包括桨壳、桨套、变距套筒、桨叶、螺桩进行强度分析。利用实体建模软件Catia对螺旋桨的复杂零件和主要受力件进行实体造型，利用Catia和有限元分析软件的接口将零件的实体导入MCS.Patran，对各零件进行简化处理和有限元建模，同时给各零件施加材料属性，加载和施加约束，最后提交给其后处理器Nastran进行计算，利用计算的应力结果结合设计经验从材料、结构和使用角度进行优化，以进一步降低螺旋桨重量。
利用MSC.Patran/ MSC.Nastran进行有限元线性静力分析的过程通常是：在有限元前处理软件“MSC.Patran”中创建几何模型，如果模型较复杂最好通过CAD软件创建，然后导入MSC.Patran进行前处理：划分网格、创建材料、赋单元特性、施加约束边界条件、加载。前处理完毕，提交解算器MSC.Nastran进行线性静力分析，最后读入分析结果，应力、应变、位移等量值以云图形式显示出来。分析比较应力、应变值及其位置是否合理。
传统的结构优化一般是凭借经验或者参照已有的工程实例，通过比拟的方法进行设计。由于机械结构形式的多变性、建立的数学模型的复杂性、选用的优化方法的有效性，在机械行业选用不同的初始设计方法尤为重要。
以计算机为基础的结构优化设计就是：在规定的各种设计限制条件下，将实际设计问题首先转为最优化问题，然后运用最优化理论和方法在计算机上自动调优计算。
结构优化的基本步骤：一、以工程问题为基础，把工程问题转化为数学问题，即建立数学模型；二、根据工程问题的实际情况选择适合的优化方法。
建立数学模型包括选定设计变量和目标函数，建立约束方程等。结构优化数学模型一般由设计变量、目标函数和状态变量（约束条件）三要素构成。
按照设计变量的难易程度结构优化设计划分，可分为尺寸变量、形状变量和拓扑变量等，对这些不同的变量进行的结构优化设计分别被称为：尺寸优化、形状优化和拓扑优化。
尺寸优化：将结构的尺寸参数作为设计变量，修改结构单元的尺寸进行的优化设计；形状优化：将结构的形状参数作为设计变量，调整设计的可行域的边界和形状，最终得到最优的几何形状和可行域的边界；拓扑优化：在结构内部寻找承力最小的部位即非实体区域的部位进行优化，使结构得到最优的配置。综上所述，工程结构优化设计可以划分为三个不同的层次，这三个层次的优化代表了工程设计人员对于要设计的工程结构，从概念设计阶段到基本设计阶段，再到最后的详细设计阶段这样一个连续的过程。
3 螺旋桨结构优化程序及结论
螺旋桨的机构优化将有限元方法和设计经验相结合，对螺旋桨各主要受力零部件的强度进行有限元分析，根据分析结果，从材料选择、加工工艺和产品使用角度对螺旋桨整体结构进行改进，使螺旋桨整体重量减轻，并对改进后的强度进行校核。主要包括以下几方面：
a）主要对螺旋桨承受的载荷、受力情况、产品工作的原理、各部件连接形式和结构特点进行分析。
b）利用Catia软件建立某型螺旋桨主要受力件（包括桨壳、桨叶、桨套、变距套筒、连杆、螺桩、拨套）的实体模型。简化各零部件的受力情况和约束情况，并选择合理的单元类型和网格划分方法，然后根据分析类型合理施加载荷和约束之后得到一个有限元分析模型。
c）选择合适的解算器计算主要受力件的应力和应变，根据计算结果，发现结构的薄弱环节，并以此分析结果作为结构改进或优化设计的依据。
d）根据分析结果确定结构优化方案，对优化结构再进行强度校核，并与优化前结构进行对比分析，达到减重的目的。
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