复合材料螺旋桨三维非线性水弹性分析及多目标优化设计

The importance of composite propeller is increasingly growing for reducing the noise and vibration of submarine. It is urgent to establish the theoretical and numerical methods to analyze the hydroelasticity, because these methods provide a foundation for the design and performance prediction of composite propeller. This project aims to carry out the hydroelastic analysis for the composite propeller from the mechanical point of view, and establish the multi-objective optimization design method. Firstly, the three-dimensional steady/transient coupling control equations are established by combining the computational fluid dynamics method with the finite element method of composite structures. The numerical methods of the fluid-structure interaction are presented for the composite propeller in open water and non-uniform flow condition. The reliability of the numerical methods are verified by the model test and the convergence calculation, respectively. Secondly, the hydroelastic performances of the composite propeller in non-uniform wake is analyzed. The vibration hub loads and the low-frequency noise are predicted. Furthermore, the influence of the different composite materials and structure types on the hydroelastic performance is investigated. Finally, the multi-objective optimization model of the composite propeller is established based on the finite element method and the genetic algorithm, the multi-objective optimization design of the composite propeller is achieved by combining the hydrodynamic results in coupling calculation. This research provides the key technical support for the engineering applications of composite propeller in submarine, and explores a effective research ideas for the hydroelastic analysis and optimization of composite structures.

随着复合材料螺旋桨在潜艇减振降噪中的重要性日益凸显，迫切需要建立理论及数值方法分析其流弹性，为其设计及性能预报奠定基础。本项目从力学角度出发，开展复合材料螺旋桨三维非线性水弹性分析及多目标优化研究。首先，将计算流体力学方法与复合材料结构的有限元方法相结合，建立三维稳态及瞬态流固耦合控制方程，提出敞水及非均匀流下复合材料螺旋桨的流固耦合数值模拟方法，分别通过模型试验及收敛计算，验证数值方法的正确性；其次，分析非均匀伴流下复合材料螺旋桨的水弹性力学性能，预报桨毂振动载荷及低频噪声，研究材料体系及层合参数对振动及噪声性能的影响；最后，基于有限元方法和遗传算法，建立复合材料螺旋桨的多目标优化模型，结合耦合计算的水动力数值结果，实现复合材料螺旋桨的多目标优化设计。本研究为潜艇复合材料螺旋桨的工程化应用提供关键技术支撑，也为复合材料结构的水弹性分析及优化探索出一套有效的研究思路。

为降低潜艇辐射噪声，提高潜艇隐蔽性，本项目利用纤维增强复合材料较高的比强度、比刚度、优异的阻尼性能及良好的可设计性，改善传统金属螺旋桨重量大、易出现空泡腐蚀和诱发疲劳裂纹、易引起轴致振动及噪音的问题，围绕复合材料螺旋桨开展了潜艇推进器的减振降噪研究。. 首先，项目研究从力学角度出发，将螺旋桨理论、计算流体力学方法和复合材料结构的有限元分析方法相结合，建立了复合材料螺旋桨三维非线性水弹性力学计算及分析方法，通过采用不同网格尺寸及不同时间步长完成收敛计算，证实了该CFD/FEM数值模拟方法的有效性；利用该方法完成了敞水及非均匀流下复合材料螺旋桨的稳态及瞬态流固耦合数值模拟，通过将数值模拟结果与模型桨样件试验结果对比，验证了数值模拟方法的可靠性。. 其次，根据非均匀伴流下复合材料螺旋桨的水弹性力学计算结果，一方面利用傅立叶变换进行数据处理，完成了复合材料螺旋桨桨叶各方向桨毂力和桨毂力矩的计算及分析，由结果可知：非均匀流场下复合材料螺旋桨的各向桨毂力和桨毂力矩均小于金属螺旋桨，通过改变铺层方案，可有效提高复合材料螺旋桨的水动载荷、减少变形和动应力、降低桨毂载荷，将C2和C3两种铺层方案与C1铺层方案进行对比，复合材料螺旋桨的桨毂载荷分别降低了49.6%和70.6%；另一方面，实现了复合材料螺旋桨低频线谱噪声的有效预报，由结果可知：复合材料螺旋桨的低频线谱噪声小于金属螺旋桨，降噪效果良好。. 最后，基于有限元方法和遗传算法，建立了复合材料螺旋桨的多目标优化模型，结合耦合计算的水动力数值结果，实现复合材料螺旋桨的多目标优化设计.本项目的研究为潜艇复合材料螺旋桨的设计研制提供了关键技术支撑，也为复合材料结构的水弹性分析及优化探索出一套有效的研究思路