基于智能材料的可变形螺旋桨的研究

摘要

螺旋桨作为一种舰船上应用最广泛的推进器，它的性能优劣对舰船的整体性能将产生重大影响。随着舰船对于推进器的要求逐渐提高，目前广泛使用的常规合金螺旋桨已经逐渐不能满足航行的需求。根据舰船推进器的研究进展，目前大致有两种解决方案去提高推进器的性能：一种方案是通过对螺旋桨进一步的改进以期提高其性能，而另一种方案是寻求其他推进方式的推进器。本文基于第一种解决方案，提出了“可变形螺旋桨”概念，改进了常规的舰船螺旋桨，设计了一种可以根据具体工况主动改变自身形状的舰船螺旋桨以期适应不同工作环境。本文基于压电叠堆驱动机构设计了一种可变形舰船用螺旋桨，利用螺旋桨附带的可变形后缘襟翼，实现了通过调整变形襟翼的偏转角度改变螺旋桨局部弯度的功能。选取了一种压电驱动器结构，通过驱动器产生的驱动位移，经传动机构传递后，驱动后缘襟翼产生绕轴偏转的角位移。本文设计了一种位移传动机构并布置于桨叶中，从而将驱动器的驱动位移传递于变形襟翼，推动变形襟翼绕轴偏转。随着变形襟翼偏转角度的不同，可变形螺旋桨叶具有不同的局部弯度，可使舰船获得不同的推力、转力矩和推进效率。
　　本研究主要内容包括：⑴调研了国内外对于螺旋桨理论、可变形螺旋桨研究的研究现状，重点对于利用CFD方法计算螺旋桨的水动力学研究进行了调研。⑵对于CFD数值方法的基本理论进行了阐述，本文给出了用于计算螺旋桨流体动力学理论的三大守恒定律及其控制方程、湍流模型及其输运方程。⑶利用坐标转换公式进行了编程计算，将二维平面型值点转化为三维空间坐标型值点，利用SOLIDWORKS三维建模软件设计了一传统双叶螺旋桨，然后在此基础上设计了变形襟翼，选取了襟翼所在位置和襟翼大小以及襟翼形状；选择了两种用以放大压电叠堆位移的放大机构——菱形放大机构和椭圆放大机构，利用ANSYS WORKBENCH分析了两种放大机构的放大性能，根据仿真结果，选取了放大性能更好的菱形放大机构对压电叠堆位移进行了放大；设计了一种传动机构，连接了变形襟翼，获得了所要设计的完整的可变形螺旋桨模型以及用于可变形螺旋桨的流体动力学模拟的几何简化模型；利用3D打印技术，利用ABS塑料制备了一只简化的可变形螺旋桨模型。⑷基于可变形螺旋桨的模型设计与简化等研究工作，对可变形螺旋桨进行了敞水性能模拟，并对模拟结果进行了对比与分析，当螺旋桨转速为900rpm时，在变形襟翼的偏转角度为-5°~+5°十一种偏转角度下，螺旋桨在进速系数为0.3~0.7五种情况下，利用流体动力学分析软件FLUENT对可变形螺旋桨进行了敞水性能的模拟研究，获得了其推进力(推力系数)，转力矩(转力矩系数)和推进效率随偏转角度或进速系数的变化趋势，从而为可变形螺旋桨的襟翼主动变形的控制提供了基础。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景、目的和意义

1.2 舰船螺旋桨的水动力学理论的国内外研究现状

1.3 舰船螺旋桨的计算流体动力学模拟的国内外研究现状

1.4 可变形螺旋桨国内外研究现状

1.5 本文主要研究内容

第2章 计算流体动力学的相关基本理论

2.1 流体动力学的基本控制方程

2.2 三维湍流模型

2.3 本章小结

第3章 可变形螺旋桨的结构设计

3.1 传统螺旋桨的设计

3.2 可变形螺旋桨的总体设计

3.3 压电驱动器放大机构的放大机理仿真分析

3.4 基于3D打印技术的可变形螺旋桨简化模型的制备

3.5 本章小结

第4章 可变形螺旋桨的敞水性能模拟研究

4.1 FLUENT软件的简要介绍

4.2 可变形螺旋桨的CFD模拟前处理

4.3 可变形螺旋桨的敞水性能模拟

4.4 敞水性能模拟结果的处理与探讨

4.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢