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原文传递复合材料螺旋桨的阻尼特性研究

论文题名：	复合材料螺旋桨的阻尼特性研究
关键词：	螺旋桨;复合材料;铺层设计;模态应变能
摘要：	螺旋桨在正常工作时会在船尾产生非均匀的尾流场，这会使螺旋桨在运转时产生非定常的推力和转矩，在伴流场中，推力与转矩不仅会引起螺旋桨的振动，还会通过刚度较大的轴承系统传递到船体，诱发船体的振动噪声，因此降低螺旋桨振动的研究具有重要意义。　　在船海领域，铜合金螺旋桨因具有高强度、耐腐蚀等优点而被广泛应用，但其振动剧烈、噪声大。与金属螺旋桨相比，复合材料螺旋桨具有的可设计性和高阻尼性能可以有效的降低其在正常工作时的振动，因此本文对复合材料螺旋桨的结构设计进行研究。　　本文首先探究了复合材料螺旋桨桨叶的铺层建模方法，并对应用到的数值计算方法进行算例验证。为了使模态应变能法适用于多界面的混杂纤维结构，本文进一步探索了界面损耗因子的计算公式和数值模拟方法，通过混杂纤维悬臂梁振动测试试验得到不同界面数的混杂纤维结构的阻尼损耗因子，将其与考虑界面阻尼前后的模态应变能法计算结果进行对比验证，发现对于界面数较多的混杂纤维结构，界面阻尼对整体阻尼贡献显著，不可忽略。　　然后，本文依据螺旋桨的常见尺寸，将无侧斜、无纵倾系列螺旋桨桨叶简化为板模型，应用修正的模态应变能法，定量研究材料阻尼参数与结构阻尼参数的变化对结构整体阻尼和固有频率的影响，根据所得规律设计了混杂纤维结构和阻尼层结构的两种结构板，并将其与铜板和纯碳纤维板进行阻尼性能和力学性能的对比计算，结果表明相比于混杂纤维结构，阻尼结构可以牺牲较小的力学性能而尽可能地提高结构的阻尼性能。　　最后，考虑到若将大侧斜、纵倾的螺旋桨简化为板模型会导致计算偏差较大，因而本文进一步以有侧斜和纵倾的桨叶为模型进行结构阻尼设计，通过对阻尼层的厚度、相对位置以及数量三个参数进行优化，得到高阻尼的阻尼结构桨叶，并与优化的混杂纤维桨叶和碳纤维桨叶进行阻尼和力学性能对比分析，发现阻尼结构桨叶的抑振能力最强，力学性能居中。在实际工况下计算螺旋桨叶面上的不均匀分布压力，从而对最终得到的阻尼结构桨叶进行强度特性分析，保证其在正常工作时不会发生变形破坏和最大应力破坏。本文的研究内容可以为高阻尼性能的复合材料螺旋桨结构设计提供一定的参考价值。
作者：	王昆
专业：	船舶与海洋工程
导师：	梅蕾
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2021