本发明涉及一种用于降低空泡溃灭载荷冲击的碳纤维铺层结构优化方法，属于材料力学和空泡动力学领域。
背景技术：
1、水利机械在高速运转的过程中，由于表面压力迅速降低到饱和蒸汽压以下，会在固体表现呈现出明显的空化现象。空化现象包括大尺度的空化流动和小尺度的空泡脉动，这其中，小尺度的空泡脉动是空化动力学的基础。当空泡在固体边界附近溃灭时，空泡呈现独特的非球形脉动，并释放高速射流和冲击波，对边界造成局部损伤，久而久之会造成空蚀。空蚀现象往往出现在大型水利机械的表面，造成边界的迅速老化和报废，并且存在巨大的安全隐患。因此，水力机械对材料往往要求高比刚度，高比强度和耐侵蚀，但是传统钢铁材料很难在要求重量内满足这一需求。
2、随着新型材料的研究逐渐成熟，拥有高比刚度，高比强度，轻质耐用和结构可设计等诸多优点的新型碳纤维铺层复合材料在水力机械中的应用逐渐增加。这种新型碳纤维铺层复合材料结构可以采用塑料或环氧树脂作为基底，采用黏合物质将碳纤维丝粘附于基底上。当空泡在新型碳纤维铺层复合材料边界溃灭时，由于新型复合材料边界的运动，空泡动力学行为和载荷冲击方向会发生变化，由此降低了空化载荷的侵蚀，成为降低和预防空蚀的新手段。但是，当碳纤维铺层复合材料的设计方案(如铺层厚度，铺层角度等)发生变化时，对空化载荷的预防能力也会发生变化。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种用于降低空泡溃灭载荷冲击的碳纤维铺层结构优化方法，通过碳纤维铺层结构优化降低空泡溃灭对碳纤维铺层结构的载荷冲击，本发明能够根据水利设备需要设计碳纤维铺层复合材料平板结构，实现空化载荷的大幅度降低，保证空泡溃灭冲击载荷远离平板。本发明还能避免重复设计碳纤维复合材料平板带来的材料损失和资源浪费。
2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
3、本发明公开的用于降低空泡溃灭载荷冲击的碳纤维铺层结构优化方法，包括如下步骤：
4、步骤一：铺设基准碳纤维平板。将碳纤维铺层复合材料平板裁剪为长10-15mm、宽5-7.5mm、0.5-0.6mm厚度的碳纤维铺层复合结构。碳纤维铺层复合结构铺层角度0°，即平行于铺层板的长边。将碳纤维铺层复合材料平板的一面喷涂为全黑，用散斑喷枪喷涂白色斑点，增加散斑和平板的对比度，提高散斑点提取的准确度。散斑点无重合，散斑点直径小于0.01mm。散斑点均匀分布在平板内，每个小于1mm*1mm区域内，散斑点的数量大于10000个。
5、步骤二，激光空泡碳纤维平板溃灭实验。将碳纤维铺层复合材料平板的短边固定在空泡溃灭试验台上，激光空泡发生器产生空泡的位置在复合材料平板上方大于1.0mm处。激光空泡发生器的产生能量75+-5mj，产生空泡的半径为0.5mm+-0.02mm。采用高速摄像机捕捉空泡运动图像和边界运动散斑图像。两台高速摄像机采用同步触发装置控制，捕捉频率为100000-130000fps。
6、步骤三，处理散斑和空泡实验数据，采用视频处理软件把高速摄像机分解为每一帧的图片。
7、步骤3.1：将整个平板划分为多个子区域。每个子区域内的散斑点为一个子集。计算是基于子集进行的，子集的全集为整个计算域。
8、dic变形场计算由以下公式计算得到：
9、
10、其中，广义变形矢量p，其中u和v分别为子集中心在x方向和y方向的位移；和是当前子集(current reference subset)中点的坐标，xrefi和xrefj是初始参考子集(initial reference subset)的x和y坐标，xrefc和xrefc是初始参考子集中心点的坐标；上式下标“rc”表示从参考到当前坐标的转换；索引(i，j)为子集内某一点相对于子集中心的位置。s是一个集合，其中包含所有子集点。
11、步骤3.2：计算散斑点图像中灰度值。采用归一化互相关函数ncc(normalizedcross correlation)，其公式为：
12、
13、其中，f和g分别是指定位置(x，y)处的参考和当前图像灰度强度函数。函数fm和gm对应于参考和当前子集的平均灰度值。
14、步骤3.3：计算散斑点移动后的位置。对变形矢量pg进行初值赋值，该初值用作迭代优化方案的输入值。对变形矢量pg进行迭代求解，最终得到变形矢量pr。将参考子集填充至完整尺寸的空白矩阵，并将其与当前图像进行ncc相关计算，输出是相关系数值的数组。通过定位最大相关系数，确定当前子集中心在当前图像的位置
15、步骤四，对空泡溃灭冲击方向进行函数化处理。定义在不同厚度h，不同铺层角度α的碳纤维复合材料平板附近的空泡溃灭运动方向为：
16、β＝l/l0 (5)
17、其中：l为溃灭后空泡中心于边界的垂直距离。l0为初始距离。+1为朝向边界，-1为远离边界，1为原地。提取每个复合材料平板在预设次数重复实验中的最大变形量a。根据碳纤维铺层复合材料平板的刚度系数和铺层结构之间的关系为：
18、
19、其中，qij为铺层角度设计，n为铺层层数设计。h＝0.01n。根据实验数据对公式(7)(8)进行拟合，得到边界属性和空化载荷方向的拟合关系式。
20、β＝f(x·dij,y·h,z·α,ξ) (7)
21、
22、自变量包括边界属性和初始条件参数，因变量为空泡溃灭载荷冲击方向，f代表三阶非线性拟合方程。其中，代表散斑点初始位置，max代表取全部子集中的最大值。
23、复合材料板的位移求得板的振荡速度v(xn)通过平板位移与时间微分得到，具体求解过程如下式：
24、
25、其中，x为拉格朗日坐标系下的空间坐标。根据式(10)对拉格朗日坐标下的体积力ft进行计算：
26、
27、式中，u(xn)为欧拉坐标下流体的速度u在拉格朗日坐标系下的对应部分，其根据下式进行计算：
28、
29、式中，gh为欧拉网格点的集合；δh(xn-1-xn)δh(xn-1-xn)为插值函数，其表达式如式(12)所示：
30、
31、式中，φ为离散的δ函数。采用三点平滑函数φ对平板运动的幅度进行平滑处理，解决运动幅度小导致的无法计算散斑位移的问题。
32、
33、使用如式(14)所示的插值函数δh(xn-1-xn)对拉格朗日坐标下的体积力ft进行处理，即求得复合材料板作用于流场的欧拉坐标下的体积力ft：
34、
35、其中，gh为拉格朗日网格点的集合。
36、步骤五，基于步骤四中的边界属性和空化载荷方向拟合关系式。对已有实验数据的复合材料平板附近的空泡行为模拟，获得修正参数w，x，y，z和整体经验参数ζ，并最终得到空泡结构与空泡溃灭冲击方向的关系式
37、
38、其中，m代表空泡运动位置，大于1代表空泡向上移动，小于1代表向下运动。下标0代表参考弹性平板的结构，f0代表三阶三项多项式，x，y，z分别对应三阶项修正系数，dij，h，a代表三项变量。
39、步骤六，基于步骤五得到复合材料平板附近空泡动力学溃灭冲击方向，将选取的修正参数w，x，y，z带入式(15)，调整弹性平板结构参数，保证m值大于1，进而得到预设计的碳纤维铺层复合材料平板；根据所述碳纤维铺层复合材料平板降低空泡溃灭载荷冲击，保证空泡溃灭冲击载荷远离碳纤维铺层复合材料平板。所述平板结构参数包括铺层角度，铺层厚度。
40、由于数据拟合需要多组实验数据，因此参考组实验需要重复多组实验，作为优选，多种碳纤维铺层平板均采用环氧树脂基碳纤维铺层平板，平板厚度为0.5mm-2.0mm，每0.3mm设置一组实验组。
41、作为优选，碳纤维铺层平板采用热固性树脂将碳纤维丝进行粘贴。碳纤维角度从0度到90度，每15度设置为一个对比实验组。为了观察铺层角度对空泡动力学行为的影响。
42、作为优选，空泡溃灭试验台用于同步捕捉到空泡溃灭图像和平板变形图像，包括激光空泡发生器、碳纤维平板加紧装置、两台高速摄像机、镁光灯、散斑喷涂装置。
43、有益效果：
44、1、本发明公开的用于降低空泡溃灭载荷冲击的碳纤维铺层结构优化方法，采用数据拟合和模拟方法，通过碳纤维铺层结构优化降低空泡溃灭对碳纤维铺层结构的载荷冲击，基于已有实验数据能够直接预测空化载荷方向，降低重复实验造成的资源浪费，降低实验成本。
45、2、本发明公开的用于降低空泡溃灭载荷冲击的碳纤维铺层结构优化方法，在程序拟合方法中采用了三阶多项式对已有实验数据直接进行数据拟合，拟合速度快，拟合精度高，相比于传统数值模拟方法节省计算成本，增加对载荷运动方向的模拟效率。
46、3、本发明公开的用于降低空泡溃灭载荷冲击的碳纤维铺层结构优化方法，采用高阶多项式拟合的方法直接关联平板特性和空泡载荷运动方向，该方法涵盖了弹性边界可以影响空化载荷方向的主要因素，能够对非平板形状的弹性边界上的空化载荷进行预测。
1.用于降低空泡溃灭载荷冲击的碳纤维铺层结构优化方法，其特征在于：包括如下步骤，
2.如权利要求1所述的用于降低空泡溃灭载荷冲击的碳纤维铺层结构优化方法，其特征在于：所述平板结构参数包括铺层角度，铺层厚度。
3.如权利要求1或2所述的用于降低空泡溃灭载荷冲击的碳纤维铺层结构优化方法，其特征在于：多种碳纤维铺层平板均采用环氧树脂基碳纤维铺层平板，平板厚度为0.5mm-2.0mm，每0.3mm设置一组实验组。
4.如权利要求1或2所述的用于降低空泡溃灭载荷冲击的碳纤维铺层结构优化方法，其特征在于：碳纤维铺层平板采用热固性树脂将碳纤维丝进行粘贴；碳纤维角度从0度到90度，每15度设置为一个对比实验组。
5.如权利要求1或2所述的用于降低空泡溃灭载荷冲击的碳纤维铺层结构优化方法，其特征在于：空泡溃灭试验台用于同步捕捉到空泡溃灭图像和平板变形图像，包括激光空泡发生器、碳纤维平板加紧装置、两台高速摄像机、镁光灯、散斑喷涂装置。
