Les hélices maritimes et de flux modernes en matériaux composites à fibres offrent des avantages considérables par rapport aux hélices métalliques classiques : poids plus faible, meilleures propriétés de cavitation et possibilité d'adaptation passive du pas grâce à une anisotropie ciblée. Cependant, leur flexibilité pose des défis particuliers à la conception : la performance aérodynamique ou hydrodynamique ne peut être évaluée correctement que si la déformation structurelle sous charge opérationnelle est intégrée dans la simulation.

Hélice composite : opportunités et défis constructifs

Hélice avec des ailes de Matériaux composites à base de fibres – notamment en plastique renforcé de fibres de carbone (PRFC) ou en plastique renforcé de fibres de verre (PRFV) – sont élastiquement déformables sous les charges de fonctionnement. Cette flexibilité n’est pas un défaut de conception, mais peut être utilisée de manière ciblée :

• Ajustement passif du jeuPar une orientation ciblée des fibres, l'aile se tord dans un écoulement plus favorable à mesure que la charge augmente – automatiquement, sans mécanique active
• Réduction de la cavitationL'adaptation de la géométrie de la pale sous charge peut lisser les pics de pression et ainsi réduire le risque de cavitation
• Réduction du bruit: Pulsations de pression réduites grâce à une répartition optimisée de la charge sur la pale
• Gain de poidsLes hélices CFK sont nettement plus légères que les hélices en bronze ou en acier inoxydable à rigidité égale.

Le revers : Lors de l'interprétation, il faut La déformation des ailes sous charge opérationnelle doit impérativement être prise en compte. Une simulation CFD purement rigide prédirait systématiquement de manière erronée la géométrie réelle en fonctionnement – et donc la poussée, le couple et le rendement.

Qu'est-ce que le couplage fluide-structure (CFS) ?

le Interaction fluide-structure (IFS) décrit l'interaction mutuelle entre un fluide en mouvement et une structure élastique. Dans le cas d'une hélice composite, cela signifie :

• Ça Fluide (eau ou air) génère des forces de pression sur les pales de l'hélice
• le Structure se déforme élastiquement sous l'effet de ces forces
• la géométrie modifiée affecte à son tour le Courant – et par conséquent la distribution de pression
• Ce cycle sera itératif jusqu'à convergence résolu

Selon la rigidité de la structure et la force des flux, cet effet de couplage peut être faible et négligeable – ou si dominant qu'il détermine fondamentalement la conception. Pour les hélices composites flexibles, c'est le cas général.

Notre solution logicielle : OpenFOAM + Code_Aster entièrement couplés

Nous avons un spécialisé Solution logicielle pour la simulation FSI d'hélices composites développé, qui relie deux programmes open source majeurs en un flux de travail performant et entièrement automatisé :

• OpenFOAM réalise la simulation CFD : calcul du champ d'écoulement, de la distribution de pression et des forces hydrodynamiques sur l'hélice, y compris les régions à maillage tournant (MRF ou maillage glissant)
• Code_Aster la partie de la mécanique des structures : analyse par éléments finis du matériau composite anisotrope sous les forces fluides transmises, calcul des déformations et des contraintes dans le laminé
• Un Algorithme de couplage transfère les forces et les déplacements entre les deux solveurs et met à jour le maillage de calcul CFD en fonction de la déformation structurelle (morphing dynamique du maillage)

Les deux outils sont entièrement open source – sans frais de licence, avec une transparence totale et une personnalisation maximale pour répondre aux exigences spécifiques du projet.

Caractéristiques techniques de notre solution FSI

• Modélisation de matériaux anisotropesCode_Aster modélise la structure lamellaire des composites CFK et GFK couche par couche, y compris les propriétés de rigidité et de résistance dépendantes de la direction.
• Modélisation de la cavitationOptionnellement, la simulation FSI peut être étendue par un modèle de cavitation afin de capturer l'interaction entre la transition de phase et la déformation de la pale.
• Flux de travail automatiséL'ensemble de la chaîne de simulation – maillage, configuration du solveur, couplage, post-traitement – est piloté par script et reproductible dans le framework InsightCAE

Résultats et indicateurs de simulation FSI

À partir d'une simulation complète de fluide-structure pour des hélices composites, vous obtenez, entre autres :

• Courbes de poussée et de couple en tenant compte de la géométrie de fonctionnement réelle
• Champ de déplacement (de là, flèche, torsion, vrillage) sur toute la pale de l'hélice
• Distributions de contraintes et de déformations dans le stratifié – Base pour les vérifications de résistance selon Puck, Tsai-Wu ou des critères similaires
• Distribution de pression sur le côté d'aspiration et le côté de pression des ailes
• Indice de cavitation et propagation de la cavitation (avec modélisation étendue)
• Efficacité et stabilité du point de fonctionnement sur toute la plage caractéristique

Domaines d'application

Notre solution FSI pour les hélices composites peut être appliquée dans les domaines suivants :

• Hélices de bateau en carbone ou en PRV pour bateaux de haute performance et de plaisance
• Systèmes de propulsion pour drones sous-marins et drones sous-marins autonomes avec exigences en matière d'émission sonore ou de conception légère
• Pales d'éolienne (petites éoliennes, systèmes à axe vertical)
• Turbines à courant de marée avec pales composites flexibles
• Applications de recherche pour la validation d'algorithmes FSI

Conclusion : Conception précise de l'hélice par simulation FSI physiquement cohérente

Ceux qui conçoivent des hélices composites avec des CFD rigides risquent des erreurs systématiques dans la prévision des performances et la conception structurelle. Notre solution de simulation couplée basée sur OpenFOAM et Code_Aster comble cette lacune – de manière rentable, transparente et entièrement automatisée. Cela vous permet de concevoir des hélices composites telles qu'elles fonctionnent réellement : déformées, chargées et optimisées en termes de performance.

Vous développez une hélice en matériaux composites et avez besoin d'une simulation FSI fiable ? Contactez-nous – nous vous accompagnons de la géométrie au résultat validé.