复合材料螺旋桨预变形设计方法研究

复合材料螺旋桨在水中运转时，既产生弯曲又发生扭转。这一独特的弯扭耦合特性，导致周围流场发生改变，变化后的流场又将影响桨的变形，使问题求解变得更为复杂。但同时也可以用来对复合材料螺旋桨进行合理设计，使其能够依据所承受的载荷自适应地改变自身形状，相应调整螺距、纵倾和侧斜分布，进而改善螺旋桨性能。对复合材料螺旋桨进行预变形设计，可以最大限度地发挥其优势，有利于提高船舶推进效率和节约能源。而预变形设计的基础，则是要事先确定复合材料螺旋桨的最佳变形量。鉴于此，本项目研究复合材料螺旋桨的预变形设计方法，探索变形量对螺旋桨水动力性能的影响规律，主要内容包括：1）复合材料螺旋桨流固耦合算法研究；2）复合材料螺旋桨模型试验研究；3）桨叶变形对螺旋桨水动力性能的影响规律研究；4）考虑预变形的复合材料螺旋桨水动力设计方法研究。

复合材料螺旋桨具有独特的弯扭耦合变形特性，其水动力性能因流固耦合效应而不同于常规金属桨。本项目构建了复合材料螺旋桨结构和流体的耦合方程及其求解算法，将有限元软件ABAQUS与面元法BEM程序相结合，形成流固耦合算法并分析了复合材料螺旋桨的变形特性及水动力性能，在ANSYS Workbench平台进行了对比计算；完成了铜桨和复合材料螺旋桨模型的对比试验，包括拖曳水池敞水试验、空泡水洞水动力性能试验、水动力下降试验、轴向变形测量试验、空泡初生试验、伴流场中空泡观测试验和模态测量试验，分析了复合材料螺旋桨模型特性试验规律，发现与铜桨相同几何形状的复合材料螺旋桨因变形较大而水动力性能下降，但空泡和阻尼性能优于铜桨，基于试验结果对流固耦合算法进行了修改和完善；运用得到试验验证的流固耦合算法，研究了采用不同铺层的复合材料桨叶变形对螺旋桨水动力性能的影响规律，探索变形量与螺旋桨性能之间的关系，最终形成了考虑预变形的复合材料螺旋桨水动力设计方法，在设计工况时复合材料螺旋桨变形至刚性桨的形状，水动力性能与刚性桨相同，在非设计工况低进速时推力和扭矩减小，效率提高，高进速时推力和扭矩增大，效率也提高。本项目的研究为复合材料螺旋桨的预变形设计提供理论依据和方法支撑。