船用复合材料螺旋桨性能预报及优化设计

摘要

近年来,复合材料船用螺旋桨作为一种新型推进器,由于其优良的声学性能,较轻的桨叶质量以及独特的可设计性,得到了军事与民用船艇领域的重视。但是复合材料螺旋桨工作时变形较大,对水动力性能的影响不可忽略,因此考虑桨叶变形影响的性能分析和结构设计是目前研究的热点和难点。之前的研究对象局限于单向纤维复合材料螺旋桨,对编织纤维复合材料螺旋桨的研究较少,且缺少对纤维体积分数的影响研究和对性能预报方法的介绍。
　　本文通过分析编织纤维复合材料螺旋桨的结构特点,结合螺旋桨性能预报的升力面方法和复合材料结构有限元分析方法,完成了复合材料螺旋桨的参数化建模和水动力性能预报的工具开发。并在此基础上结合螺旋桨设计理论,采用三级结构优化设计方法,实现了复合材料螺旋桨的结构优化设计。具体内容如下:
　　详细介绍了复合材料螺旋桨的建模方法,并与试验结果进行了对比,证明了方法的有效性。通过对编织复合材料螺旋桨的结构特点进行分析,揭示了编织纤维复合材料螺旋桨与传统金属螺旋桨和单向纤维复合材料螺旋桨的差异,表明编织纤维复合材料螺旋桨在水动力性能预报时,桨叶变形不可忽略。
　　使用MATLAB编程,开发了VLM/FEM复合材料螺旋桨的敞水性能预报工具,且对该工具的开发流程和方法进行了详细介绍,并藉由该工具对某复合材料螺旋桨进行验证分析,通过比较计算结果证明其准确性。
　　基于开发的性能预报工具,对编织复合材料螺旋桨采用三级结构优化设计方法,先优化桨叶铺层角度,再优化桨叶体积分数,最后使用预变形设计,最终完成了对桨叶水动力性能和质量的优化。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 复合材料螺旋桨的应用

1.3 复合材料螺旋桨国内外研究状况与进展

1.4 本文主要研究内容

第二章 基本理论与分析方法

2.1 螺旋桨的几何描述

2.2 复合材料螺旋桨性能预报理论

2.3 复合材料结构分析理论

第三章 复合材料螺旋桨结构分析方法

3.1 引言

3.2 复合材料螺旋桨模型建立

3.3 单向纤维与编织纤维复合材料桨对比

3.4 试验验证

3.5 本章小结

第四章 复合材料螺旋桨性能预报及工具开发

4.1 引言

4.2 复合材料螺旋桨数值预报工具开发流程及模块

4.3 参数化建模

4.4 载荷和变形的传递

4.5 收敛计算值判断

4.6 应用实例验证

4.7 本章小结

第五章 复合材料螺旋桨优化设计

5.1 引言

5.2 优化设计目标

5.3 优化设计过程

5.4 优化结果分析

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 主要研究工作总结和结论

6.2 进一步工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢