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基于FBG传感网络的水下螺旋桨运行变形监测
| 论文题名： | 基于FBG传感网络的水下螺旋桨运行变形监测 |
| 关键词： | 水下螺旋桨;流固耦合;逆向有限元;变形监测 |
| 摘要： | 目前，螺旋桨是船舶行业应用最多的一种推进器，其工作特性及噪音对整个舰船的结构设计有很大的影响。当螺旋桨在航行过程中发生变形时，其推力、效率和扭矩等会发生变化，导致螺旋桨产生水动力噪声和流激振动噪声等。对螺旋桨进行变形监测可以得知不同工况下桨叶的变形情况，实现桨叶结构的健康监测，本文拟采用接触式测量方法来实现螺旋桨的变形监测。 光纤布拉格光栅（FBG）传感器具有尺寸小、质量轻、易于形成传感网络等优点，非常适合用于监测水下运行的螺旋桨。针对螺旋桨桨叶的变形监测，本文采用逆向有限元的方法将粘贴于桨叶表面的FBG传感器采集的应变信息转换为桨叶的变形信息，从而实现桨叶的变形监测。本文的主要研究内容如下： （1）基于ANSYSWorkbench平台对螺旋桨进行不同进速系数和转速的仿真研究，结果表明：当进速系数J为0，螺旋桨以不同的转速运转时，桨叶的应力随着转速的提高逐渐变大；当转速固定450r/min，螺旋桨以不同进速系数运行时，随着进速系数的提高，桨叶的最大应力先逐渐变大，当J=0.4时，桨叶的最大应力达到最大，当进速系数继续增大，桨叶的最大应力逐渐变小。 （2）基于Mindlin板理论，推导了三节点逆壳单元应变与位移的关系，研究了桨叶的三节点逆壳单元划分策略，并将划分后的不规则单元等效离散化，对螺旋桨进行FBG传感网络设计，实现了由一根光纤光栅串对桨叶不同测点的0°、45°、90°方向进行应变监测；对粘贴有FBG传感器的平板进行泡水试验，对泡水前后的试验件进行悬臂梁形式下的加载，结果表明，泡水对FBG传感器采集的应变数据没有影响，为其测量螺旋桨水下应变信息奠定基础。 （3）设计并搭建了螺旋桨水下测试平台，进行了17种工况下的螺旋桨测试试验。将FBG传感器测得的应变信息输入到基于应变与位移关系编写的Matlab程序中，得到不同工况下桨叶的试验重构位移，将试验结果与仿真结果对比，结果表明，当螺旋桨在进速系数为0，以不同的转速运行时，桨叶的试验重构位移与仿真位移相对误差在15%以内；转速固定450r/min，以不同的进速系数进行运行时，试验重构位移与仿真位移的相对误差也在15%以内，验证了基于FBG传感器进行螺旋桨水下变形监测的可行性。 |
| 作者： | 王福 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 丁国平 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 武汉理工大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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