船用复合材料螺旋桨水弹性效率优势挖掘与评估方法研究

Composite propellers have drew extensive interests in military and civil marine engineering due to their advantages over the traditional metalic propellers. The fluid-structure interaction mechanism, the hydroelastic and hydrodynamic performance analysis, and the optimization of composite propellers are important academic topics in the ship propulsion field. It aims at developing the methodologies for the energy efficiency enhancement and the hydroelastic performance evaluation of composite marine propellers through numerical simulation and model tests. The primary contents are as following: (1) numerical and experimental investigations on the hydroelastic behaviour of composite propellers and the influence factors; (2) global optimization algorithm and its implementation for the design of composite propeller geometry and structure laminate with improving energy efficiency; (3) evaluation of hydroelastic performance of composite propellers considering uncertainties of material and loading. The obtained methodologies and conclusions will help to explore the hydroelastic efficiency advantages of composite propellers, and provide technical support for its application and popularization. It would be of considerable value to the design and the aeroelastic/hydroelastic analysis of wind-turbine and tidal-turbine composite blades.

船用复合材料螺旋桨相较于传统金属材料螺旋桨具有诸多优势，在军用和民用船舶领域均引起了广泛的关注，其流固耦合机理、水弹性及水动力性能分析与优化设计方法也是当前船舶推进领域的重要学术问题。本项目以发展船用复合材料螺旋桨能效提升与水弹性性能评估方法为目标，采用数值计算与模型试验相结合的手段，开展以下研究工作：（1）复合材料螺旋桨水弹性行为及性能影响因素数值与物理模型试验；（2）基于能效提升的复合材料螺旋桨几何与结构铺层整体优化算法与实现；（3）考虑材料与载荷不确定性的复合材料螺旋桨水弹性性能评估。相关方法的建立及规律的获取有助于促进对复合材料螺旋桨水弹性效率优势的理解与挖掘，为其应用推广提供技术支撑，对于风力涡轮发电机及潮汐涡轮发电机复合材料叶片的设计及其气动弹性/水弹性分析也具有一定的参考价值。

船用螺旋桨制造中采用纤维增强复合材料替代传统铜合金材料近年来引起的关注很多，但实船应用方面进展缓慢，一个主要的制约因素就在于缺乏有效高精度的复合材料螺旋桨水弹性分析和设计方法。针对这一瓶颈问题，本项目根据研究计划逐步开展了复合材料螺旋桨水弹性性能数值计算模型的建立、实物模型的制备与测试系统的开发、水弹性性能规律分析与优化设计等工作，深入揭示了各影响因素对复合材料螺旋桨水弹性行为的控制机理，提出并发展了一套挖掘船用复合材料螺旋桨水动力效率优势的几何与结构铺层整体优化设计方法。.首先分别采用VBA + BEM + ANSYS APDL，ACP + RANS + FEM建立了船用复合材料螺旋桨的稳态和瞬态双向流固耦合数值计算模型，并分别通过铝质、高韧性树脂材料、复合材料螺旋桨模型试验结果及文献结果对所建立数值模型的有效性进行了验证。研究表明树脂材料及复合材料螺旋桨均表现出远甚于金属材料螺旋桨的流固耦合特性，且其程度随螺旋桨绝对负荷的增加而趋于显著；复合材料铺层结构是螺旋桨水弹性性能的主要影响因素，也是水动力效率优势挖掘的主要设计变量；采用最大应力和蔡吴强度准则及储备因子失效模式的计算结果则表明复合材料螺旋桨在所讨论的工况下均具有足够的强度储备。然后采用模压成型技术制备了预埋光纤布拉格光栅传感器（Fiber Bragg Grating，FBG）的复合材料螺旋桨模型，并借助于光纤滑环技术，开发了一套基于拖曳水池的可同时测量螺旋桨敞水性能与结构应变的水下在线测试系统。其次通过将设计工况下弹性桨几何预变形设计过程以约束条件的形式嵌入非设计工况下的复合材料螺旋桨结构优化设计中，结合刚性桨几何设计，发展了一套复合材料螺旋桨几何与结构铺层整体优化设计方法，并通过设计实例证实了该方法在提升非设计工况下螺旋桨敞水效率方面的有效性。最后依托Matlab平台发展了基于Monte Carlo算法的复合材料螺旋桨水弹性性能可靠性评估方法。相关研究方法和结论可为船用复合材料螺旋桨的应用开发提供技术支撑。