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高性能复合材料螺旋桨的结构设计及水弹性优化

洪毅  
【摘要】:螺旋桨噪声是舰艇辐射噪声的主要来源之一。随着舰艇声隐身性能要求的日益紧迫,螺旋桨在舰艇减振降噪技术中占据核心地位。近年来,复合材料螺旋桨作为一种新型推进器,是实现低振动低噪声舰艇的关键,其结构特点、工作原理与传统金属螺旋桨差异较大,因而其结构设计和性能分析方法是目前研究的热点和难点。本文通过分析复合材料螺旋桨的工作特点和受力特性,结合螺旋桨理论、计算流体力学方法和层合结构有限元分析方法,提出了敞水状态和非均匀流下复合材料螺旋桨的流固耦合数值模拟方法,实现了复合材料螺旋桨的结构设计和水弹性优化,具体内容如下: 通过对复合材料螺旋桨的结构特点及工作原理进行研究,揭示了复合材料螺旋桨与传统金属螺旋桨在结构设计及分析等方面存在的差异,表明了流固耦合作用在复合材料螺旋桨研究过程中的重要性。 将基于粘流理论的计算流体动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的三维稳态流固耦合控制方程和瞬态水弹性控制方程,为复合材料螺旋桨的CFD/FEM流固耦合数值模拟计算提供了理论基础。 提出了敞水状态下复合材料螺旋桨稳态流固耦合过程的数值模拟方法,通过不同网格尺寸完成了收敛计算,验证了该方法的正确性;分析并评价了五叶和七叶复合材料螺旋桨的敞水性能、定常水动压力、刚度、强度;研究了流固耦合作用对不同桨型影响的差异,体现了流固耦合计算对复合材料螺旋桨在研究过程中的重要性;通过与金属螺旋桨的性能进行对比,揭示了两种材料螺旋桨间的性能差异及其产生机理;采用预变形策略,结合稳态流固耦合计算结果,实现了复合材料螺旋桨的外形重构。 基于有限元方法,提出了复合材料螺旋桨桨叶的声学流固耦合湿模态计算方法;分析了五叶复合材料螺旋桨桨叶的干、湿模态性能,体现了附加质量对模态性能的影响;通过与金属螺旋桨进行比较,揭示了材料特性与湿模态性能之间的关系;根据基于模态应变能的有限元方法,提出了复合材料螺旋桨桨叶结构阻尼的数值计算方法,通过与实验模态分析结果比较,验证了该方法的正确性;计算并评价了不同层合参数对复合材料螺旋桨桨叶结构阻尼的影响,显示了复合材料螺旋桨桨叶结构阻尼的可设计性;通过完成不同层合参数下复合材料螺旋桨的阻尼结构动态响应分析,建立了利用结构阻尼设计评价复合材料螺旋桨结构动力性能的方法。 基于三维非线性水弹性理论,提出了非均匀流下复合材料螺旋桨瞬态流固耦合过程的数值模拟方法,通过不同网格尺寸和不同时间步完成了收敛计算,验证了该方法的正确性;分析了设计工况下五叶和七叶复合材料螺旋桨的水弹性力学性能:包括非定常水动载荷、非定常水动压力、变形、动应力、桨毂载荷,显示了复合材料螺旋桨与金属螺旋桨间水弹性特性的差异;研究了不同铺层下复合材料螺旋桨的水弹性力学性能,实现了复合材料螺旋桨的水弹性优化。 根据上述设计结果,制备了某对转碳纤维复合材料螺旋桨;对复合材料螺旋桨进行三维型面扫描测试,重量分析和噪音测试分析,并与同尺寸铝桨进行比较,显示了复合材料螺旋桨的优越性。


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