船用復(fù)合材料螺旋槳應(yīng)用與發(fā)展

周 鑫，劉愛(ài)兵，楊文凱，易小冬

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和船舶行業(yè)不斷發(fā)展壯大，船舶各方面性能的要求也不斷提高。如何利用現(xiàn)代高新材料與技術(shù)研制成本更低、性能更佳的新型螺旋槳成為船舶設(shè)計(jì)人員日益關(guān)注的問(wèn)題。新型復(fù)合材料的不斷涌現(xiàn)及其優(yōu)異性能的日益凸顯，給螺旋槳設(shè)計(jì)人員提供了全新的設(shè)計(jì)思路。越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始進(jìn)行復(fù)合材料螺旋槳設(shè)計(jì)與制造的相關(guān)研究，不斷挖掘復(fù)合材料螺旋槳在振動(dòng)噪聲、輕質(zhì)高效和耐腐蝕抗疲勞等方面的巨大潛力。

研究表明：根據(jù)槳葉受力情況對(duì)復(fù)合材料增強(qiáng)纖維方向、厚度等參數(shù)以及槳葉幾何外形的合理設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)在水動(dòng)力載荷下螺旋槳自適應(yīng)地調(diào)節(jié)槳葉變形，并在某些工況下可明顯改善螺旋槳的水動(dòng)力性能。傳統(tǒng)螺旋槳設(shè)計(jì)的主要挑戰(zhàn)在于需要在主機(jī)最佳特性、螺旋槳推進(jìn)效率、空化和振動(dòng)、水下和艙室噪聲、機(jī)動(dòng)能力等目標(biāo)之間達(dá)成折中方案。得益于復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性，設(shè)計(jì)人員可以對(duì)上述目標(biāo)進(jìn)行解耦，從而在最大程度降低空化、振動(dòng)和噪聲的同時(shí)，追求推進(jìn)效率的最大化。

1 國(guó)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

船用復(fù)合材料螺旋槳的研究包括螺旋槳的流固耦合分析、水動(dòng)力性能預(yù)測(cè)、槳葉結(jié)構(gòu)與幾何外形的優(yōu)化、螺旋槳振動(dòng)與噪聲評(píng)估和螺旋槳成型工藝與試驗(yàn)驗(yàn)證等工作，涉及到流體力學(xué)、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)，以及復(fù)合材料成型的材料科學(xué)等多學(xué)科內(nèi)容。研究人員聲稱復(fù)合材料螺旋槳可以節(jié)省燃料、增加舒適度和提高水動(dòng)力性能，但這些說(shuō)法常常沒(méi)有得到試驗(yàn)證實(shí)，而如何驗(yàn)證螺旋槳設(shè)計(jì)改進(jìn)是否取得成功也并非易事。近年來(lái)，國(guó)外的眾多研究人員多基于現(xiàn)有螺旋槳計(jì)算理論，結(jié)合模型試驗(yàn)，對(duì)復(fù)合材料螺旋槳的水動(dòng)力性能、槳葉的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、振動(dòng)特性等方面進(jìn)行了大量的研究工作，但是，復(fù)合材料在很多方面對(duì)船用螺旋槳的設(shè)計(jì)者而言仍是未知。

復(fù)合材料螺旋槳流固耦合方法研究在復(fù)合材料螺旋槳性能研究的前期占據(jù)了相當(dāng)?shù)谋戎?，目前主流的方法有渦格法（Vortex-Lattice Method，VLM）／有限元（Finite Elements Method，F(xiàn)EM）流固耦合分析方法、邊界元法（Boundary Element Method，BEM）／有限元（Finite Elements Method，F(xiàn)EM）流固耦合分析方法以及計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）／有限元（Finite Elements Method，F(xiàn)EM）流固耦合分析方法。自1991年來(lái)，LIN等[1-2]不斷研究并完善了VLM/FEM流固耦合分析方法，即渦格法和有限元方法相結(jié)合的流固耦合分析方法。2007年，YOUNG等[3]采用BEM/FEM，即面元法與有限元結(jié)合的流固耦合方法，結(jié)合經(jīng)典層合板理論，分析了復(fù)合材料螺旋槳水彈性行為的變形耦合效應(yīng)，利用預(yù)變形法設(shè)計(jì)出在設(shè)計(jì)進(jìn)速下與金屬槳推進(jìn)性能相同的復(fù)合材料螺旋槳初始幾何。隨后在此基礎(chǔ)上完善了BEM/FEM流固耦合分析方法，提出了復(fù)合材料螺旋槳基于性能的設(shè)計(jì)與分析方法。隨著計(jì)算流體力學(xué)CFD的發(fā)展和計(jì)算機(jī)能力的迅猛提升，國(guó)外學(xué)者相繼開(kāi)展了基于RANS方程黏性理論的螺旋槳水動(dòng)力性能數(shù)值研究，如：MULCAHY等[4]以CFD-ACE軟件計(jì)算螺旋槳的水動(dòng)力性能，并預(yù)測(cè)了復(fù)合材料螺旋槳的穩(wěn)態(tài)性能。

在復(fù)合材料螺旋槳噪聲性能方面，2013年，PAIK等[5]利用高速攝像儀和水聽(tīng)器對(duì)不同增強(qiáng)纖維的復(fù)合材料螺旋槳進(jìn)行了模型試驗(yàn)，結(jié)果表明玻纖的噪聲性能優(yōu)于碳纖維，鋪層方式也會(huì)影響到槳葉的噪聲性能。

復(fù)合材料螺旋槳的空泡和振動(dòng)研究中，國(guó)外學(xué)者先后對(duì)大側(cè)斜螺旋槳空泡流、空泡筒中柔性槳的流固耦合特性以及纖維方向不同的復(fù)合材料槳葉對(duì)近距離小爆炸的響應(yīng)等進(jìn)行了一系列研究。

隨著試驗(yàn)條件和復(fù)合材料工藝水平的提升，復(fù)合材料螺旋槳相關(guān)試驗(yàn)研究工作擁有了更多的可能。其中，HARA等[6]采用激光追蹤法對(duì)復(fù)材槳槳葉變形進(jìn)行了測(cè)量。2016年，在荷蘭MARIN減壓波浪水池（Depressurised Wave Basin，DWB），對(duì)柔性螺旋槳變形進(jìn)行了測(cè)量。試驗(yàn)裝置由定制化攝影機(jī)外殼（長(zhǎng)約1.0 m，寬0.5 m）及內(nèi)裝的2臺(tái)同步高速攝影機(jī)組成，攝影機(jī)用于以4 800 Hz的頻率連續(xù)LED照明下獲取分辨率為1 280×1 024像素的圖像，裝置如圖1所示。在拖曳水池中進(jìn)行一系列試驗(yàn)后，通過(guò)比較載荷條件下螺旋槳的三維形狀并參考未變形螺旋槳形狀，利用DIC技術(shù)計(jì)算槳葉變形。見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)裝置（包括攝影機(jī)外殼）

1.2 國(guó)外應(yīng)用現(xiàn)狀

復(fù)合材料螺旋槳的應(yīng)用最早可以追溯到20世紀(jì)60年代，蘇聯(lián)將直徑達(dá)2 m的復(fù)合材料螺旋槳第一次運(yùn)用到Soviet漁船上。20世紀(jì)70年代—90年代，蘇聯(lián)先后在商船、登陸艦、掃雷艇、魚(yú)雷快艇和氣墊船等軍船上進(jìn)行了大量的復(fù)合材料螺旋槳性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用復(fù)合材料螺旋槳的主機(jī)和槳軸振動(dòng)幅值大幅減小，因而產(chǎn)生的振動(dòng)、噪聲較采用金屬材料螺旋槳明顯降低，而復(fù)合材料和金屬材料螺旋槳在航速、耗油率、發(fā)動(dòng)機(jī)載荷、吸收馬力以及工作壽命方面基本相同。基于已公開(kāi)的有限信息，可知復(fù)合材料螺旋槳在減重、降噪、減振和抗空泡性能方面較金屬材料螺旋槳更優(yōu)。

進(jìn)入21世紀(jì)后，歐洲多國(guó)展開(kāi)了復(fù)合材料螺旋槳的研究，并在艦船、潛艇上進(jìn)行了應(yīng)用與試驗(yàn)。瑞典的ProPolse AB公司設(shè)計(jì)了分體式的復(fù)合材料螺旋槳，由金屬槳轂和可拆裝的槳葉組成。試驗(yàn)證明：復(fù)合材料螺旋槳葉比相同幾何外形的鋁合金槳葉強(qiáng)度高，耐沖擊性好，減重40%。

德國(guó)AIR公司開(kāi)發(fā)出的Contur系列復(fù)合材料螺旋槳已成功應(yīng)用于多類艦船，獲得良好的市場(chǎng)反應(yīng)。德國(guó)海軍已在多型潛艇上應(yīng)用了復(fù)合材料螺旋槳，包括206A、209A型潛艇、U19、U26艇，實(shí)船表明復(fù)合材料螺旋槳在聲學(xué)性能上較金屬槳有很大改進(jìn)。如圖2所示。

圖2 德國(guó)206A型及212A型潛艇復(fù)合材料螺旋槳

2003年英國(guó)QinetiQ公司制造了直徑2.9 m復(fù)合材料螺旋槳并進(jìn)行了一系列海試（見(jiàn)圖2），該槳用以代替英國(guó)海軍三體艦“海神”號(hào)Triton上原有的舊式金屬槳。海試結(jié)果表明：該復(fù)合材料螺旋槳的重量輕，空泡性能好，噪聲和振動(dòng)減小。

圖3 2.9 m直徑復(fù)合材料槳

盡管早在2004年，歐洲國(guó)家就已公開(kāi)發(fā)表了船用復(fù)合材料螺旋槳應(yīng)用的相關(guān)報(bào)道，但截至2017年，船用復(fù)合材料螺旋槳主要用于小型游船和游艇，大型船舶應(yīng)用仍屬少見(jiàn)。2015年，日本中島公司公布其開(kāi)發(fā)的復(fù)合材料螺旋槳，顯示了大型船用復(fù)合材料螺旋槳取得的進(jìn)展。中島公司稱其與日本船級(jí)社為“太鼓丸”號(hào)“Taiko-Maru”化學(xué)品貨輪開(kāi)發(fā)的柔性復(fù)合材料螺旋槳能夠大幅降低功率消耗、艙室噪聲和振動(dòng)，船東對(duì)螺旋槳的噪聲水平和耗燃量非常滿意。如圖4所示。

圖4 日本中島公司開(kāi)發(fā)的復(fù)合材料螺旋槳

2 國(guó)內(nèi)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)的研究人員在復(fù)合材料螺旋槳流固耦合特性、水動(dòng)力性能影響因素、振動(dòng)與噪聲性能、槳葉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法和成型工藝與強(qiáng)度試驗(yàn)等方面已進(jìn)行了大量工作。

2011年，曾志波等[7]開(kāi)展了復(fù)合材料螺旋槳流固耦合相互作用分析，并與剛性螺旋槳比較分析，研究了在多工況下的復(fù)合材料螺旋槳水動(dòng)力性能影響。繼而基于面元法和有限元法，開(kāi)展了復(fù)合材料螺旋槳流固耦合數(shù)值方法研究，集成了一項(xiàng)復(fù)合材料螺旋槳流固耦合分析技術(shù)。2014年，李泓運(yùn)等[8]在此基礎(chǔ)上，從鋪層設(shè)計(jì)對(duì)螺旋槳性能和變形的影響、螺旋槳幾何設(shè)計(jì)和船機(jī)槳匹配3個(gè)方面展開(kāi)，對(duì)復(fù)合材料螺旋槳性能進(jìn)行預(yù)報(bào)，通過(guò)預(yù)變形方式設(shè)計(jì)槳葉型值，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料螺旋槳在設(shè)計(jì)工況和非設(shè)計(jì)工況下的船機(jī)槳匹配。

2013年，黃政等[9]采用面元法結(jié)合有限元法的流固耦合算法，研究了纖維鋪層對(duì)復(fù)合材料槳變形規(guī)律的影響，總結(jié)了復(fù)合材料螺旋槳的變形規(guī)律。2017年，其團(tuán)隊(duì)對(duì)螺旋槳做了加厚處理，采用預(yù)變形設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)工況下水動(dòng)力性能與原槳相當(dāng)，在非設(shè)計(jì)工況下復(fù)合材料螺旋槳的水動(dòng)力性能改善。同年，團(tuán)隊(duì)針對(duì)復(fù)合材料螺旋槳的流固耦合水彈性行為，基于ANSYS WORKBENCH平臺(tái)利用ACP模塊對(duì)復(fù)合材料螺旋槳進(jìn)行了流固耦合計(jì)算方法的研究，并通過(guò)靜態(tài)加載試驗(yàn)和空泡水洞模型試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

2010年，洪毅等[10]將基于RANS方程的計(jì)算流體力學(xué)方法與有限元方法相結(jié)合，沿著螺旋槳水動(dòng)力性能計(jì)算、復(fù)合材料螺旋槳建模及結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計(jì)、CFD/FEM載荷傳遞、復(fù)合材料螺旋槳結(jié)構(gòu)力學(xué)性能計(jì)算，水動(dòng)力性能收斂判定的設(shè)計(jì)分析流程，完成了某螺旋槳槳葉的初步的設(shè)計(jì)過(guò)程，提出了一種預(yù)變形策略以改進(jìn)復(fù)合材料螺旋槳的綜合性能。同年，對(duì)復(fù)合材料螺旋槳進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水彈性分析及優(yōu)化，并完成了模型制備及相應(yīng)的測(cè)試。2019年，張宏磊[11]利用CFD方法與有限元分析方法相結(jié)合，對(duì)復(fù)合材料螺旋槳的空泡性能及空泡水動(dòng)力性能進(jìn)行了研究，并與金屬螺旋槳的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

復(fù)合材料螺旋槳模型制備方面，張鴻名[12]通過(guò)噪聲試驗(yàn)驗(yàn)證了復(fù)合材料相較于鋁合金在降低螺旋槳噪聲方面的優(yōu)勢(shì)。2015—2016年楊文志等[13]開(kāi)展了復(fù)合材料螺旋槳成型工藝的研究，采用樹(shù)脂傳遞模塑成型技術(shù)（RTM）制作了螺旋槳模型，并通過(guò)強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證了工藝的可行性與強(qiáng)度評(píng)估方法的可靠性。

在國(guó)內(nèi)的復(fù)合材料螺旋槳研究中，采用弱耦合方法計(jì)算螺旋槳水動(dòng)力性能較為常見(jiàn)。盡管計(jì)算精度有限，但實(shí)用性強(qiáng)，收斂性較好。在試驗(yàn)驗(yàn)證方面，中國(guó)船舶科學(xué)研究中心對(duì)制作的槳模已進(jìn)行過(guò)相關(guān)水下試驗(yàn)，嘗試采用了高速攝像機(jī)對(duì)槳葉動(dòng)態(tài)變形進(jìn)行捕捉。國(guó)內(nèi)的研究學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始研究復(fù)合材料螺旋槳的尺度效應(yīng)，然而要掌握槳模與實(shí)槳的相似律，并形成有效的圖譜仍需做大量的工作。目前，國(guó)內(nèi)水下復(fù)合材料轉(zhuǎn)子已有應(yīng)用實(shí)例，而船用復(fù)合材料螺旋槳應(yīng)用領(lǐng)域仍是空白，有待于研究的繼續(xù)深入。

3 結(jié)論

21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)外復(fù)合材料大尺度成型技術(shù)的成熟，帶來(lái)了船用復(fù)合材料的爆發(fā)式應(yīng)用，潛艇復(fù)合材料螺旋槳和大型船用復(fù)合材料螺旋槳都已有應(yīng)用實(shí)例。近幾年，國(guó)內(nèi)的復(fù)合材料螺旋槳研究也積累了大量寶貴的經(jīng)驗(yàn)，考慮復(fù)合材料螺旋槳流固耦合特性的數(shù)值計(jì)算方法基本成熟，常用小直徑復(fù)合材料螺旋槳槳葉的制備工藝基本掌握。通過(guò)對(duì)比總結(jié)研究人員的經(jīng)驗(yàn)與成果，可出以下結(jié)論：復(fù)合材料螺旋槳從設(shè)計(jì)到工藝再到試驗(yàn)，整個(gè)過(guò)程需要進(jìn)行多次循環(huán)與反復(fù)，即在設(shè)計(jì)階段提出要求，工藝成型后進(jìn)行試驗(yàn)，以判斷是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，繼而根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)方案和工藝成型方案進(jìn)行調(diào)整。因此，要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求和試驗(yàn)結(jié)果的良好吻合需要進(jìn)行相當(dāng)大量的實(shí)槳制作和試驗(yàn)工作。要推進(jìn)復(fù)合材料螺旋槳應(yīng)用與發(fā)展，不僅需要提高制備水平，還需要不斷積累試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

基于國(guó)內(nèi)外船用復(fù)合材料螺旋槳的研究現(xiàn)狀，可以明確研究人員遇到的難點(diǎn)具有較高的一致性：

1）復(fù)合材料螺旋槳結(jié)構(gòu)仿真中材料參數(shù)設(shè)定困難且誤差大，與實(shí)際差距較大。

2）水動(dòng)力仿真方面，槳葉變形與引起槳葉變形的載荷變化難以準(zhǔn)確計(jì)算。

3）復(fù)合材料螺旋槳縮比模型與實(shí)槳相似律有待進(jìn)一步研究。

4）水下試驗(yàn)難以捕捉槳葉動(dòng)態(tài)變形，高速攝像機(jī)拍照處理所得變形數(shù)據(jù)誤差較大。

復(fù)合材料螺旋槳成型工藝復(fù)雜，模型成本高昂，應(yīng)力殘余對(duì)槳葉幾何影響明顯，再加上復(fù)合材料槳葉內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化及規(guī)律尚未被識(shí)別與掌握，可以說(shuō)復(fù)合材料螺旋槳設(shè)計(jì)容易，而要得到與試驗(yàn)結(jié)果高度相符的設(shè)計(jì)則很難，如何提高二者的吻合性也是此領(lǐng)域眾多研究學(xué)者需要繼續(xù)鉆研攻克的難點(diǎn)。

先進(jìn)復(fù)合材料為船舶與海洋裝備的技術(shù)革新提供了全新的可能，船用材料體系也將迎來(lái)全面升級(jí)。為使復(fù)合材料螺旋槳在船舶復(fù)合材料應(yīng)用的浪潮中跟緊腳步，抓住機(jī)遇，建議今后的研究重點(diǎn)是：

1）采用預(yù)變形策略基礎(chǔ)上，研究復(fù)合材料螺旋槳數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的吻合度，包括高精度捕捉槳葉動(dòng)態(tài)變形這一技術(shù)難點(diǎn)的攻克，以及復(fù)合材料螺旋槳尺度效應(yīng)的研究。

2）提升復(fù)合材料成型工藝水平，為復(fù)合材料螺旋槳仿真設(shè)計(jì)與成型制備建立精度更高、更為可靠的數(shù)據(jù)庫(kù)。

3）在保證螺旋槳推進(jìn)效率的前提下，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，真正實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料螺旋槳減振降噪和延遲空泡等優(yōu)良特性。