基于FBG传感网络的船用CFRP螺旋桨的应变在线监测与变形重构研究

Our country's marine propeller has struggled with noise, corrosion and fatigue life caused by metal material for a long time. Compared with a metal propeller, composite propeller has the advantages of light-weight, high efficiency, low vibration, low noise, corrosion resistance, fatigue resistance. The key problem of composite propeller research is how to fully use the fluid-structure coupling mechanism based on material and structure designability to achieve its excellent hydrodynamic performance and acoustic stealth capability. The hydroelastic behavior description of composite propeller and deformation prediction is essential, however, it is lack of mature and perfect theory, more a lack of effective means of experimental verification and correction of the existing theory. This project proposed to apply Fiber Bragg Grating(FBG) sensing technology in the deformation monitoring of Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP) marine propeller, to establish the mechanical model of CFRP propeller, predict the strain and deformation of CFRP propeller under fluid load; propose the deformation reconstruction method based on strain information, develop the optimized FBG sensor network layout according to the deformation reconstruction, construct the distributed FBG strain sensor network, integrate the FBG strain monitoring- deformation reconstruction system, realize the deformation online monitoring; and to provide solid foundation for CFRP propeller design theory.

我国的船用螺旋桨长期因金属材料所引起的噪声、腐蚀和疲劳寿命等问题而备受困扰，与金属桨相比，复合材料螺旋桨具有轻质高效、低振动、低噪音、耐海水腐蚀、抗疲劳等优势。复合材料螺旋桨的关键问题是如何在材料和结构可设计性的基础上充分利用流固耦合机理实现其优异的水动力性能和声隐身能力，其中，对复合材料螺旋桨的水弹性行为描述及变形预测至关重要，目前尚缺乏成熟完善的理论，更缺乏有效的实验手段对现有理论进行验证和修正。本项目提出将光纤光栅(FBG)传感技术用于碳纤维复合材料（CFRP）螺旋桨的变形监测，建立CFRP螺旋桨的结构力学模型，预测流场载荷下CFRP螺旋桨的应变和变形，提出基于应变信息的CFRP螺旋桨的变形重构方法，提出FBG应变传感网络优化布局，构建FBG分布式应变传感网络，集成FBG应变传感网络和变形重构方法，实现CFRP桨叶在水下环境的变形在线监测，为CFRP螺旋桨的设计理论奠定实证基础。

我国的船用螺旋桨长期因金属材料所引起的噪声、腐蚀和疲劳寿命等问题而备受困扰，与金属螺旋桨相比，复合材料螺旋桨具有轻质高效、低振动、低噪音、耐海水腐蚀、抗疲劳等优势。复合材料螺旋桨的水弹性行为描述及变形预测至关重要，但目前尚缺乏完善的理论，更缺乏有效的实验手段对现有理论进行验证和修正。本项目提出将光纤光栅传感技术用于碳纤维复合材料（CFRP）螺旋桨的变形监测。.本项目提出了基于应变信息的CFRP螺旋桨的变形重构原理及方法，其基本思想为针对变截面变厚度特征的CFRP螺旋桨变形重构区域离散化，使用逆向有限元法对螺旋桨各离散区域进行变形重构，再进行CFRP螺旋桨曲面全局坐标下的变形重构信息融合。在此基础上，本项目建立了CFRP螺旋桨的变形重构模型，基于CFRP螺旋桨的仿真数据对变形重构方法进行验证，重构挠度与仿真挠度之间的最大相对误差为9.02%。.构建基于光纤光栅分布式传感的CFRP螺旋桨的应变监测网络：提出考虑变形重构精度的CFRP螺旋桨光纤光栅应变传感网络的优化布局，确定CFRP螺旋桨光纤光栅应变传感网络的拓扑结构，集成CFRP螺旋桨光纤光栅应变传感网络，构建了基于光纤光栅传感的CFRP螺旋桨应变-变形重构实验系统，在多种载荷条件下，验证了CFRP螺旋桨的变形重构原理及方法，实际变形量与重构变形量之间的最大相对误差为13.99%。.实现了流场环境中CFRP螺旋桨的应变测试及变形重构：本项目通过模压工艺制备了预埋光纤光栅传感器的CFRP螺旋桨，构建了CFRP螺旋桨的水下应变测试系统，设置了转速和进速分别变化的两类工况，在各工况条件下，测试获得螺旋桨的动应变，并进行了变形重构，重构变形与仿真分析的相对误差在15%以内。.本项目为船用螺旋桨,尤其是复合材料螺旋桨的真实水下运行性能的获取提供了新的技术原理和方法，为阐释复合材料螺旋桨在流场环境中的变形及流固耦合机理提供了实证数据，为复合材料螺旋桨的优化设计理论提供了重要依据，为复合材料螺旋桨的推广应用奠定了实证基础。