详情

原文传递船用复合材料螺旋桨水弹性分析与设计方法研究

论文题名：	船用复合材料螺旋桨水弹性分析与设计方法研究
关键词：	船用螺旋桨;复合材料;水弹性;设计方法
摘要：	船用螺旋桨在采用复合材料时，除了具备复合材料本身的优良特性如高比强度、高比模量、高阻尼、抗疲劳和耐腐蚀外，还表现出水弹性自适应性，其原因在于复合材料具有弯曲-扭转耦合特性，螺旋桨形状能根据负荷的轻重产生自适应行为，使得复合材料螺旋桨在偏离设计点或非均匀流场中具有优于金属螺旋桨水动力性能的表现，从而有利于提高经济效益。复材桨水动力性能的评估，首先有赖于对螺旋桨水弹性行为的准确描述；其水动力效率优势的挖掘，除了在几何设计中需考虑水弹性效应外，还需进行结构优化设计，寻找使桨叶产生最有利于提高水动力效率变形行为的结构铺层方向。这些工作的开展均离不开一个精细的螺旋桨流固耦合算法。本文主要围绕复材桨的水弹性分析及优化设计方法展开相关研究。具体内容如下：　　结合面元法和有限元方法建立了螺旋桨流固耦合算法。对基于面元法的螺旋桨水动力分析模块和基于ANSYS APDL的螺旋桨结构分析模块进行了介绍，并分别通过标准算例验证了这两个模块的计算精度。对螺旋桨流固耦合控制方程进行了推导，并通过在Excel VBA环境中迭代调用上述两个模块，实现了螺旋桨稳态双向流固耦合分析平台的开发。基于该平台，数值再现了不同尺度螺旋桨在不同工况下的变形行为。以DTMB4381桨为原型，通过有序变化其侧斜和纵倾分布并开展数值分析，揭示了弹性桨流固耦合特性随侧斜和纵倾的变化规律：对于侧斜和纵倾同时变化的螺旋桨，当侧斜角为负值或小的正值时，桨叶最大变形量主要受侧斜影响，纵倾的影响相对有限；而当侧斜角为较大的正值时，桨叶变形规律则主要受纵倾角所制约，纵倾的存在增强了大侧斜螺旋桨沿螺距减小方向的变形趋势。随桨叶偏离零侧斜零纵倾平衡位置，桨叶最大等效应力均呈增加趋势，离心力的贡献则始终是使其回到平衡位置。旨在利用螺旋桨流固耦合特性进而提高其水动力效率时，建议选择大侧斜/大纵倾几何型式。　　结合复合材料层合结构剪切变形理论和螺旋桨流固耦合算法，实现了复合材料螺旋桨水弹性性能分析。介绍了复合材料层合结构的一阶剪切变形理论，并分别以层合板受拉和受弯问题为算例，对ANSYS在复合材料层合结构有限元分析中的有效性进行了验证。通过单向铺层复材桨的水弹性分析，捕捉到了桨叶三维变形中的弯曲-扭转耦合特征，并指出螺距和拱度的变化是复材桨水动力性能异于金属桨的主要原因。通过系列数值试验详细讨论了材料、侧斜、工况、负荷大小以及结构铺层方式等因素对复材桨水弹性性能的影响。针对桨叶剖面变厚度特征与单层材料厚度限定之间的矛盾，研究中采用了更具实用意义的逐层退化铺层方式，并建议在结构优化设计中应重点关注影响更大的近叶面有限个铺层以节省计算工作量。针对复材桨的负荷依赖性开展了模型试验验证工作，与数值计算获得了基本一致的规律。　　通过引入近似理论及优化算法，提出了复材桨结构优化设计方法。重点对其中近似模型的构建技术进行了研究，讨论了样本点规模、目标函数、自变量函数以及近似方法的选取对近似模型精度以及最终优化结果的影响。以纤维角度正弦值为广义自变量函数，桨叶叶梢螺距角为目标函数并采用四阶多项式响应面技术构建近似模型能兼顾计算精度与效率，配合遗传算法，对某多工况渔船用复材桨进行了结构铺层优化，所设计铺层方案对应的复材桨在不同工况下敞水效率均优于刚性桨，验证了所提出复材桨结构优化设计方法的有效性。　　通过引入预变形设计方法、辅以螺旋桨水弹性分析，提出了基于环流理论的弹性桨设计方法。重点对弹性桨预变形设计中载荷更新方式及预变形量松弛因子的选择进行了讨论。通过大侧斜桨及复材桨预变形设计实例，进一步阐明了在弹性桨设计中考虑流固耦合影响的必要性。　　通过结合复材桨结构优化设计方法及弹性桨设计方法，提出了一种复材桨水弹性性能优化设计方法并完成了相应设计系统的开发。与基于设计点进行刚性桨几何设计，再进行结构铺层优化的常规复材桨设计方法相比，新提出方法通过将设计点弹性桨预变形设计过程以约束条件的形式嵌入非设计工况复材桨结构优化设计中，可精确考虑几何与结构铺层对复材桨水弹性性能的耦合影响，且维持设计点的船机桨平衡关系，而在非设计工况获得更高的水动力效率提升。通过某多工况渔船用复材桨优化设计实例，表明所提出方法能进一步挖掘复材桨在非设计工况下的水动力效率优势。通过与刚性桨在较宽工况变化范围内的水动力性能比较，充分证明了复材桨在非设计工况下的水动力效率以及负荷平稳性方面的优势。　　本文相关方法的建立及规律的获取可为后续复材桨噪声性能分析打下基础，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气动弹性/水弹性分析也将具有一定的参考意义。
作者：	贺伟
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	李廷秋
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文