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原文传递复合材料螺旋桨-舵系统特性研究及节能优化

论文题名：	复合材料螺旋桨-舵系统特性研究及节能优化
关键词：	复合材料螺旋桨;桨-舵系统;推进性能;流固耦合;预变形;节能优化
摘要：	按照《巴黎协定》规定，联合国环境规划署要求全球碳排放量在2020年至2030年必须以每年7.6%的水平下降，否则气候引发的自然灾害发生率和破坏率会大幅增长。减少船舶能源消耗，提高能源使用率，降低碳排放量是目前船舶行业发展的一个重要发展方向和研究目标。随着复合材料螺旋桨的应用越来越广，复合材料螺旋桨的节能减排成为当前研究的重点和难点。桨-舵匹配是一种易实现的节能措施。复合材料的可设计性和桨-舵匹配为复合材料螺旋桨节能减排设计提供了更大的研究空间。本文针对复合材料螺旋桨-舵系统的非线性，提出了复合材料螺旋桨-舵系统流固耦合控制方程及相应数值方法，研究了桨-舵系统特征和匹配问题，结合预变形设计以及材料设计实现了全工况的推进性能优化，同时，采用夹芯结构形式开展了复合材料螺旋桨的轻量化研究，结合预变形设计进一步提高了节能优化效果。本文的主要工作如下：　　基于复合材料和桨-舵干扰的非线性问题，提出了一种复合材料螺旋桨-舵系统的流固耦合控制方程，建立了一种基于RANS方程的计算流体力学结合有限元方法的复合材料螺旋桨-舵系统流固耦合数值模拟方法。开展了螺旋桨-舵系统水动力性能以及复合材料结构弯扭变形的收敛性验证和数值结果验证，通过与实验结果对比，验证了本文提出的流固耦合数值方法的可行性。　　基于复合材料螺旋桨的变形特性和桨-舵之间的干扰问题，描述了复合材料螺旋桨-舵系统与单独复合材料螺旋桨、刚性金属材料螺旋桨-舵系统的区别。计算了复合材料螺旋桨-舵系统的推进性能和结构响应，分析了舵的干扰对于复合材料螺旋桨推进性能、压力分布、尾流场分布、弯扭变形和桨叶强度的影响。通过对比复合材料螺旋桨-舵系统和刚性金属螺旋桨-舵系统，分析了舵的干扰对复合材料螺旋桨和刚性金属螺旋桨的影响以及区别。基于舵对尾流场分布的干扰，讨论了桨-舵相对位置对推进性能和结构响应的影响。针对复合材料螺旋桨的变形特性，提出了一个同时提高推进效率和增强复合材料桨叶使用寿命的“高效率，低变形”的优化方案，并优选出最佳桨-舵相对位置。　　基于节能减排、提高主机功效利用率的目的，研究了铺层方案和材料属性对于复合材料螺旋桨-舵系统推进性能、结构响应和舵干扰结果的影响。建立了一种改善复合材料螺旋桨-舵系统全工况的推进性能的优化方案，通过预变形设计方法改善了复合材料螺旋桨-舵系统在设计工况的推进效率，基于螺旋桨理论，提出了一个通过优选最佳铺层方案或材料属性改善非设计工况的推进效率的方案，并优选出最佳铺层方案和材料属性，实现了改善全工况的推进效率的目的。通过与实验结果对比，验证了提出的优化方案的可行性。　　基于夹芯结构轻质与高强的特性，开展了夹芯结构复合材料螺旋桨-舵系统的性能研究工作。建立了一种夹芯结构复合材料螺旋桨-舵系统流固耦合数值模拟方法，通过与实验结果对比验证了数值方法的准确性。分析了夹芯结构对复合材料螺旋桨-舵系统推进性能、弯扭变形以及干、湿模态固有频率的影响。讨论了不同面板厚度和芯子材料对复合材料螺旋桨-舵系统性能的影响，为夹芯结构复合材料螺旋桨的结构设计提供了理论基础。基于夹芯结构对推进性能的影响，通过预变形设计改善了夹芯结构复合材料螺旋桨-舵系统设计工况的推进性能，对比了夹芯结构和实芯结构复合材料螺旋桨的桨叶变形和预变形设计后非设计工况的推进效率，探索了桨叶变形与预变形设计后非设计工况的推进效率的关系，为改善复合材料螺旋桨全工况推进效率提供了更大的研究空间。
作者：	张旭婷
专业：	材料学
导师：	王荣国
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2020