现代纤维复合材料船舶和水流螺旋桨与传统的金属螺旋桨相比具有显著优势——重量更轻、空蚀性能更好，并且可以通过精确的各向异性实现被动螺距调节。然而，它们的柔韧性给设计带来了特殊的挑战：只有在将运行载荷下的结构变形纳入模拟时，才能正确评估空气动力学或流体动力学性能。.

复合螺旋桨：机遇与结构挑战

螺旋桨翼 纤维增强复合材料 – 特别是由碳纤维增强聚合物（CFRP）或玻璃纤维增强聚合物（GFRP）制成 – 在运行载荷下可弹性变形。这种灵活性并非设计缺陷，而是可以被有针对性地利用：

• 被动音高调整通过定向的纤维取向，机翼在载荷增加时会自行扭转成更有利的迎角，无需主动机械。
• 空化减降载荷下叶片几何形状的调整可以平滑压力峰值，从而降低汽蚀风险
• 降噪通过优化的叶片载荷分布降低压力脉动
• 减重CFK 螺旋桨在相同刚度下比青铜或不锈钢螺旋桨轻得多

反面：在解释时，必须 翼型在运行载荷下的变形必须予以考虑。. 纯粹刚性 CFD 模拟将系统性地错误预测实际操作中的几何形状——以及由此产生的推力、扭矩和效率。.

什么是流固耦合（FSI）？

的 流固耦合 描述了流体流动和弹性结构之间的相互作用。在复合材料螺旋桨的情况下，这意味着：

• 打 流体 (水或空气)在螺旋桨叶片上产生压力
• 的 结构 在这些力的作用下发生弹性变形
• 改变的几何形状反过来又影响了 流动 – 以及由此产生的压力分布
• 这个循环是 迭代直至收敛 已解决

根据结构的刚度和流体力的强度，这种耦合效应可能很小可以忽略不计——或者占主导地位，从根本上决定设计。对于柔性复合材料螺旋桨来说，后者是常态。.

我们的软件解决方案：OpenFOAM + Code_Aster 完全耦合

我们有一个专门的 复合螺旋桨的流固耦合 (FSI) 仿真软件解决方案 开发，将两个领先的开源程序整合到一个强大的全自动工作流中：

• OpenFOAM CFD 模拟负责：计算螺旋桨叶片上的流场、压力分布和水动力载荷——包括旋转网格区域（MRF 或 Sliding Mesh）。
• Code_Aster 结构力学方面：各向异性复合材料在传输流体载荷下的有限元分析，计算层合板的变形和应力
• 一 配对算法 在两个求解器之间传递力与位移，并根据结构变形（动态网格变形）更新CFD计算网格

这两个工具都是完全开源的——没有许可费用，具有完全的透明度，并可最大限度地满足特定项目需求。.

我们的FSI解决方案的技术特点

• 各向异性材料建模Code_Aster 逐层模拟了 CFK 和 GFK 结构中的层状结构，包括与方向相关的刚度和强度特性。
• 空化建模: 可选地，FSI 模拟可以扩展一个空化模型，以捕捉相变与叶片变形之间的相互作用。
• 自动化工作流程整个仿真链——网格划分、求解器设置、耦合、后处理——在InsightCAE框架中是脚本驱动的、可复现的。

FSI模拟的结果和关键绩效指标

从复合材料螺旋桨的完全流固耦合模拟中，您将获得，除其他外：

• 考虑实际工作几何形状的推力和扭矩特性
• 从整个螺旋桨叶片的位移场（由此得出挠度、扭曲和扭转）
• 层合材料的应力和应变分布——基于Puck、Tsai-Wu或类似准则的强度分析基础
• 压差分布在机翼的吸力和压力面上
• 空化指数与空化扩展（在扩展建模中）
• 效率和运行点稳定性贯穿整个性能曲线范围

应用领域

我们的复合材料螺旋桨FSI解决方案可用于以下领域：

• 高性能和运动用船的碳纤维或玻璃纤维船用螺旋桨
• 水下无人机和AUV推进器在噪音排放或轻量化要求方面
• 风力涡轮机叶片（小型风力涡轮机，垂直轴系统）
• 带柔性复合材料叶片的潮汐流涡轮机
• 用于验证FSI算法的研究应用

结论：通过物理一致的流固耦合仿真实现精确的螺旋桨设计

使用刚性计算流体动力学 (CFD) 设计复合材料螺旋桨，会带来性能预测和结构设计的系统性错误的风险。我们基于 OpenFOAM 和 Code_Aster 的耦合仿真解决方案可以弥补这一不足——经济高效、透明且完全自动化。这使您可以像实际工作一样设计复合材料螺旋桨：变形、受载荷且性能已优化。.

您正在开发一种复合材料螺旋桨，并且需要一个强大的流固耦合 (FSI) 仿真吗？ 联系我们 – 我们将陪伴您完成从几何到验证结果的所有工作。.