第４１卷 第６期
２０１３年 ６月
华 中 科 技 大 学 学 报 （自 然 科 学 版）
Ｊ ．Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖ ．ｏｆ Ｓｃｉ ．＆ Ｔｅｃｈ ．（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ）
Ｖｏｌ ．４１ Ｎｏ ．６
Ｊｕｎ ． ２０１３
收稿日期 ２０１２‐１０‐１０ ．
作者简介 孙海涛（１９８５‐） ，男 ，博士研究生 ；熊 鹰（通信作者） ，教授 ，Ｅ‐ｍａｉｌ ：
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ｉｎｇ
－
ｘｉｏｎｇ２８＠ １２６ ．ｃｏｍ ．
基金项目 国家自然科学基金资助项目 （５１１７９１９８） ．
桨 叶 变 形 对 复 合 材 料 桨 水 动 力 性 能 影 响
孙海涛 熊 鹰
（海军工程大学舰船工程系 ，湖北 武汉 ４３００３３）
摘要 采用面元法与有限元法相结合的方法 ，对复合材料螺旋桨桨叶变形与水动力性能之间的关系进行了
研究 ．利用基于速度势的低阶面元法对螺旋桨的受力特点进行分析 ，在此基础上给出复合材料螺旋桨性能提
升的原理性说明 ；假设厚度分布与拱度分布不发生变化 ，推导了桨叶变形后螺旋桨几何参数的数学表达式 ；以
某型螺旋桨为对象 ，利用建立的流固耦合算法 ，研究了复合材料螺旋桨桨叶变形特性及变形对水动力性能的
影响 ，并给出了螺旋桨在不同工况下的最佳几何形状 ．研究表明 ：螺旋桨在不同工况下均具有最佳几何形状 ，
相比于刚性桨 ，处于最佳形状的螺旋桨其效率均有提升 ，离设计工况点越远效率提升越明显 ．
关键词 螺旋桨 ；复合材料 ；流固耦合 ；水动力性能 ；变形
中图分类号 Ｕ６６１ ．３ 文献标志码 Ａ 文章编号 １６７１‐４５１２（２０１３）０６‐００８１‐０５
Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｂｌａｄｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ｏｎ
ｉｔｓ ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
Ｓｕｎ Ｈ ａｉｔａｏ Ｘ ｉｏｎ
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Ｙ ｉｎ
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（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｎａｖａｌ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ，Ｎａｖａｌ Ｕ ｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ，Ｗｕｈａｎ ４３００３３ ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｂｌａｄｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒｓ ｏｎ ｔｈｅｉｒ ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｗ ａｓ
ｅｖａｌｕａｔｅ ｂｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐａｎｅｌ ａｎｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ． Ｔ ｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ
ｐ
ｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｗ ａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ‐ｂａｓｅｄ ｐａｎｅｌ ｍｅｔｈｏｄ ．Ｔ ｈｅ ｒｅａｓｏｎ ｗ ｈｙ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｐｒｏ‐
ｐ
ｅｌｌｅｒ ｃｏｕｌｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｗ ａｓ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ ．Ｔ ｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ ｐａ‐
ｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｄｅｆｏｒｍｅｄ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒｓ ｗａｓ ｅｄｕｃｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｓｓｕｍｐｔｉｏｎ ｔｈａｔ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ａｎｄ ｃａｍｂｅｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｃｔｉｏｎ ｗ ｅｒｅ ｆｉｘｅｄ ．Ｔ ｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｂｌａｄｅ
ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｗ ｅｒｅ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ ．Ｔ ｈｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ
ｗ ａｓ ｇｉｖｅｎ ．Ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗ ｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｐｕｌｓｉｖｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ｗｉｔｈ ｏｐｔｉｍｕｍ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒ‐
ｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｃａｎ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｍｏｒｅ ｗ ｈｅｎ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ｉｓ ａｔ ｔｈｅ
ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｆａｒ ａｗ ａｙ ｆｒｏｍ ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ
ｐ
ｒｏｐｅｌｌｅｒ ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ； ｆｌｕｉｄ‐ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ；ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ；
ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ
常规刚性桨在设计条件下运行时 ，能充分利
用主机功率和达到预期航速 ，且螺旋桨本身的效
率亦最佳 ．但对于多工况船舶 ，由于螺旋桨工况变
化较大 ，无法使各种工况下都能充分发挥主机功
率 ，而复合材料螺旋桨因具有密度低 、阻尼高 、磁
性低 、比强度和比刚度高等特点备受关注 ．复合材
料具有非线性 、各向异性等性质 ，力学行为相对较
为复杂 ．但也正是由于其复杂的各向异性 ，使得研
究者可根据需求自由设计其结构形态 ．通过材料
纤维铺层方式和桨叶结构形式的改进设计 ，复合
材料螺旋桨可根据承受的载荷自适应地改变自身
形状 ，进而可改善螺旋桨性能 ．
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