預(yù)埋光纖光柵傳感器的碳纖維復(fù)合材料螺旋槳水下動應(yīng)變在線測試

雷智洋，王春旭，吳崇建，丁國平，嚴(yán)小雨

1 中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064

2 船舶振動噪聲重點實驗室，湖北 武漢 430064

3 武漢理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070

0 引 言

船用金屬材料螺旋槳由于腐蝕、疲勞壽命等問題而備受困擾。碳纖維復(fù)合材料（carbon fiber reinforced plastic，CFRP）具有輕質(zhì)高強、耐腐蝕、抗疲勞、可設(shè)計性等優(yōu)點[1-2]，為船用螺旋槳的性能提升帶來了新的契機，并得到了廣泛關(guān)注。

CFRP 螺旋槳與金屬螺旋槳最主要的區(qū)別在于復(fù)合材料槳葉能根據(jù)水動力載荷產(chǎn)生自適應(yīng)彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形[3-4]，復(fù)合材料的各向異性及彎扭耦合效應(yīng)導(dǎo)致槳距發(fā)生變化，使得螺旋槳在非均勻流場中的水動力性能優(yōu)于金屬槳；同時復(fù)合材料螺旋槳阻尼較大，有利于降低螺旋槳的振動和噪聲。為評估復(fù)合材料螺旋槳的性能，準(zhǔn)確測試獲取CFRP 螺旋槳槳葉葉片變形、動應(yīng)變和振動是復(fù)合材料螺旋槳研究設(shè)計的關(guān)鍵。

常規(guī)傳感技術(shù)面臨水下絕緣、流場干擾、信號傳輸?shù)葐栴}，螺旋槳在水下運轉(zhuǎn)狀態(tài)的工作變形和動應(yīng)變測量一直是工程難題。常用應(yīng)變測量方法是在螺旋槳表面粘貼應(yīng)變片，由于螺旋槳處于水下運轉(zhuǎn)狀態(tài)，傳統(tǒng)應(yīng)變片及傳輸線纜的尺寸和自重將對螺旋槳表面流場和水動力性能產(chǎn)生較大的影響，并且已有研究表明在槳葉表面粘貼應(yīng)變片會加劇空泡效應(yīng)[4]。

光纖光柵（fiber bragg grating，F(xiàn)BG）傳感器是一種新型光學(xué)傳感器，其傳感原理是通過光柵波長偏移實現(xiàn)對被測對象的應(yīng)變或溫度的絕對測量，由于光纖傳感具有尺寸小、重量輕、一纖多點、抗電磁干擾、水下信號傳輸穩(wěn)定等優(yōu)點，而常規(guī)的光學(xué)成像法和電測法則不具備[5-6]，因此，基于光纖傳感的螺旋槳水下工作變形和應(yīng)變測試方法得到研究和關(guān)注。

Zetterlind 等[7]最早探討了在復(fù)合材料螺旋槳葉片中埋入FBG 傳感器進行應(yīng)變測量的可行性分析；隨后，Zetterlind 等[8]使用法-泊光纖干涉?zhèn)鞲衅鳎‥FPI）在空氣中對復(fù)合材料螺旋槳葉片在恒定軸向載荷和循環(huán)彎曲載荷下的靜應(yīng)變和動應(yīng)變進行了監(jiān)測，驗證了光纖傳感器在復(fù)合材料螺旋槳疲勞測試中的適用性；Wozniak[9]通過埋入FBG 傳感器對復(fù)合材料螺旋槳槳葉進行應(yīng)變監(jiān)測，探討如何將光纖從復(fù)合材料中引出的設(shè)計和工藝問題；Herath 等[10]通過在復(fù)合材料槳葉表面粘貼FBG 傳感器陣列對應(yīng)變進行了測量；Javdani 等[11]使用FBG 傳感器陣列進行懸臂鋼質(zhì)螺旋槳葉片試件的振動測試，并在此基礎(chǔ)上，在全尺寸的鋼質(zhì)螺旋槳葉片上安裝FBG 傳感器陣列，進一步研究了螺旋槳在空氣中和水下的振動特性[12]。上述研究探索并驗證了將FBG 傳感技術(shù)用于復(fù)合材料及鋼質(zhì)螺旋槳空氣中靜態(tài)應(yīng)變測試的可行性和適用性，但較少涉及CFRP 螺旋槳在水下運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的槳葉動態(tài)動應(yīng)變實時在線測試。

本文將提出把FBG 傳感器預(yù)埋入CFRP 螺旋槳中，實現(xiàn)螺旋槳水下運轉(zhuǎn)狀態(tài)槳葉動應(yīng)變在線測試。通過將FBG 傳感器預(yù)埋入CFRP 螺旋槳槳葉內(nèi)部，制備預(yù)埋FBG 傳感器的CFRP 螺旋槳，構(gòu)建CFRP 螺旋槳水下運轉(zhuǎn)狀態(tài)的動應(yīng)變實時在線測試系統(tǒng)，開展多種運行工況下的CFRP螺旋槳水下運轉(zhuǎn)狀態(tài)槳葉動應(yīng)變測試，掌握復(fù)合材料螺旋槳水下運轉(zhuǎn)狀態(tài)的動態(tài)應(yīng)變特征，為CFRP 螺旋槳的流固耦合、水動力學(xué)性能研究及優(yōu)化設(shè)計提供試驗支撐。

1 CFRP 螺旋槳結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的預(yù)埋FBG 的CFRP 螺旋槳為分體式金屬預(yù)埋件槳葉結(jié)構(gòu)，試驗螺旋槳分為3 個部分：金屬槳轂、金屬預(yù)埋件（5 個）、CFRP 槳葉（5 片），其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 金屬-CFRP 槳葉結(jié)構(gòu)Fig. 1 Metal-CFRP blade

該結(jié)構(gòu)中金屬預(yù)埋件與CFRP 槳葉通過模壓成型而固化為一體（金屬-CFRP 槳葉），隨后通過螺釘和銷釘將其與金屬槳轂連接為一體。金屬預(yù)埋件槳葉結(jié)構(gòu)的5 個金屬-CFRP 槳葉單獨制造而成，若某個槳葉有損壞，可方便更換損壞的槳葉，減少維護成本。CFRP 螺旋槳的材料選用中復(fù)神鷹碳纖維公司的FAW200RC36（T700系列）單向碳纖維預(yù)浸料，螺旋槳主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

表1 CFRP 螺旋槳主要參數(shù)Table 1 Main parameters of CFRP propeller

2 預(yù)埋FBG 傳感器的CFRP 螺旋槳

2.1 FBG 的傳感原理及復(fù)用技術(shù)

FBG 傳感器的傳感原理如圖2 所示。入射光是包含多個波長的寬帶光譜，入射至光柵區(qū)域時，只有特定波長的光波反射，其他波長的光波則不受影響直接通過光柵位置繼續(xù)沿光纖傳播，反射光波的波長即為布拉格波長，波長表達式為

圖2 光纖光柵傳感原理Fig. 2 FBG sensing principle

式中： λB為 光纖布拉格光柵的反射波長； Λ為光柵的周期；neff為光柵的有效折射率。決定光柵反射波長的主要因素有 Λ和neff。當(dāng)光纖光柵傳感器受到外力作用造成光柵區(qū)變形，引起光柵軸向應(yīng)變的 變 化， Λ和neff也 隨 之 發(fā) 生 變 化，最 終 導(dǎo) 致 λB變化；當(dāng)光柵所處溫度發(fā)生改變時，光纖材料發(fā)生熱膨脹或收縮產(chǎn)生應(yīng)變，進而引起 λB的變化，同時，熱光效應(yīng)也會引起光柵有效折射率的變化進而引起 λB的改變。

由式（1）可知光纖光柵中心波長的偏移量可表示為

由彈性力學(xué)及彈光效應(yīng)、熱光效應(yīng)、熱膨脹效應(yīng)的理論，式（2）可改寫為

式中： ΔT為光纖布拉格光柵的溫度變化； α為光纖的熱膨脹系數(shù)； ξ為熱光系數(shù)； λB0為初始波長值；ε為光纖布拉格光柵的應(yīng)變變化量；Pe為有效彈光系數(shù)，本文所用光柵為石英材質(zhì)，因此Pe=0.22。

當(dāng)光纖光柵傳感器處于恒定溫度場時，即ΔT=0，有

式中，Kε為光柵傳感器的應(yīng)變靈敏度。從式（4）可以看出，在外界溫度不變的條件下，反射光譜中心波長的偏移只受光纖光柵傳感器所在應(yīng)力場的變化影響，光柵在外部應(yīng)力場的作用下，導(dǎo)致Λ 與neff改變，進而引起光纖光柵反射波長和反射光譜的變化。因此，通過監(jiān)測 ΔλB，即可得到對應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變信息，此為光纖光柵監(jiān)測應(yīng)力應(yīng)變的基本原理。在相同條件下，由于光纖光柵的橫向靈敏度比縱向的小很多，因而在實際運用中通常只考慮傳感器的縱向應(yīng)變，因此也只用光纖光柵來測縱向應(yīng)變。

如圖3 所示，波分復(fù)用技術(shù)是光纖布拉格光柵傳感器最顯著的優(yōu)勢之一：在一根光纖上寫入多個光柵，在解調(diào)儀或光譜儀可用的范圍內(nèi)給每個光柵分配一個獨立的、不同的波長區(qū)間，各個光柵的反射波峰隨著被測量的變化在各自波長范圍內(nèi)變化，采用一套解調(diào)裝置檢測所有光柵反射光譜形成的復(fù)合光譜，從預(yù)先分配的每一個獨立波長區(qū)間內(nèi)得到每一個光柵的中心波長漂移量，從而實現(xiàn)一纖多柵、大規(guī)模、分布式測量。

圖3 光纖光柵的波分復(fù)用技術(shù)原理圖Fig. 3 FBG wavelength-division multiplexing principle

2.2 預(yù)埋FBG 傳感器布局

預(yù)埋FBG 傳感器的布局位置主要考慮槳葉的鋪層厚度及應(yīng)變分布。首先，F(xiàn)BG 傳感器直徑為0.125 mm，將FBG 傳感器預(yù)埋入CFRP 槳葉鋪層層間時，為避免分層開裂，傳感器處的鋪層厚度應(yīng)大于傳感器直徑的10 倍以上；其次，F(xiàn)BG 傳感器應(yīng)盡量布置在應(yīng)變變化較為明顯的區(qū)域。根據(jù)上述考慮，確定FBG 傳感器在槳葉內(nèi)的位置布局如圖4 所示。

圖4 槳葉內(nèi)預(yù)埋FBG 傳感器位置示意圖Fig. 4 Schematic diagram of the position of the FBG sensor in the blade

根據(jù)FBG 傳感器的預(yù)埋位置及應(yīng)變測量范圍，定制了串接FBG 傳感器（FBG1 和FBG2），各傳感器的編號、中心波長配置及間距如圖5 所示，通過波分復(fù)用技術(shù)區(qū)分各個傳感器。

圖5 FBG 傳感器中心波長及間距Fig. 5 Center wavelength and distance of FBG sensors

CFRP 螺旋槳槳葉的葉面和葉背的鋪層形式一致，單邊鋪層角度由葉面向內(nèi)為[0°2/ 45°2/ 0°2/45°2/0°2]，其中“X°2”表示纖維鋪設(shè)方向為X°角，連續(xù)鋪設(shè)2 層；其鋪層編號依次為1～10，F(xiàn)BG 傳感器預(yù)埋在槳葉鋪層的第8 層和第9 層之間。

2.3 CFRP 螺旋槳的制備

預(yù)埋FBG 傳感器的CFRP 螺旋槳采用模壓成型工藝制備，成型后的預(yù)埋FBG 傳感器的CFRP螺旋槳如圖6 所示。

圖6 預(yù)埋FBG 傳感器的CFRP 螺旋槳Fig. 6 CFRP propeller with embedded FBG sensors

3 水下動應(yīng)變測試

3.1 CFRP 螺旋槳水下應(yīng)變測試系統(tǒng)

CFRP 螺旋槳水下動應(yīng)變測試在武漢理工大學(xué)船模水池進行，通過拖曳水車帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)和前進，因此根據(jù)拖曳水車結(jié)構(gòu)，設(shè)計CFRP 螺旋槳水下應(yīng)變測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7 所示，主要包括拖曳水車、預(yù)埋光纖光柵的CFRP 螺旋槳、光纖滑環(huán)、轉(zhuǎn)子固定端、定子固定端、定子固定支架和光纖光柵波長解調(diào)儀。CFRP 螺旋槳安裝在拖曳水車轉(zhuǎn)軸上，螺旋槳的尾端安裝有光纖滑環(huán)，光纖滑環(huán)的轉(zhuǎn)子安裝在轉(zhuǎn)子固定端，通過螺紋連接螺旋槳尾端，滑環(huán)轉(zhuǎn)子隨螺旋槳一起旋轉(zhuǎn)。定子固定端用于安裝光纖滑環(huán)定子，通過固定支架與拖曳水車相連，同時將光纖牽引至光纖光柵解調(diào)儀，解調(diào)儀放置在水池岸邊。

根據(jù)圖7 所示的測試系統(tǒng)示意圖，在拖曳水車上按順序?qū)㈩A(yù)埋FBG 傳感器的CFRP 螺旋槳、轉(zhuǎn)子固定端、光纖滑環(huán)、定子固定端以及固定支架安裝于拖曳水車上，并將預(yù)埋的FBG 傳感器與光纖滑環(huán)轉(zhuǎn)子端光纖熔焊為一體，將定子端光纖連接解調(diào)儀，檢測安裝過程中光纖信號是否正常。其中，由于光纖滑環(huán)為單通道滑環(huán)，本試驗選擇了其中一條串接FBG 傳感器（FBG2）與光纖滑環(huán)連接，并將其信號傳輸至解調(diào)儀上。

圖7 CFRP 螺旋槳水下動應(yīng)變測試系統(tǒng)示意圖Fig. 7 Scheme of CFRP propeller underwater strain measurement system

在搭建水下應(yīng)變測試系統(tǒng)的過程中，要保證轉(zhuǎn)子固定端、光纖滑環(huán)、定子固定端三者之間的同軸度，因為光纖滑環(huán)在測試時轉(zhuǎn)子端與螺旋槳同軸、同轉(zhuǎn)速，若轉(zhuǎn)子固定端和定子固定端安裝配合偏差過大，易導(dǎo)致滑環(huán)在工作時損壞。因此在搭建測試系統(tǒng)時需對定子固定端進行位置和角度調(diào)整，同時檢測光纖信號是否良好，確認(rèn)無誤后方可進行測試。搭建完成的CFRP 螺旋槳水下動應(yīng)變測試系統(tǒng)如圖8 所示。

圖8 CFRP 螺旋槳水下動應(yīng)變在線測試系統(tǒng)Fig. 8 CFRP propeller underwater strain measurement system

3.2 CFRP 螺旋槳水下動應(yīng)變在線測試

螺旋槳在水下運行時，其轉(zhuǎn)速和進速是影響水動力性能的2 個重要參數(shù)，因此本文設(shè)置了轉(zhuǎn)速和進速分別變化的2 類工況，研究CFRP 螺旋槳在水下運行時的動應(yīng)變特征。測試現(xiàn)場如圖9所示。

圖9 CFRP 螺旋槳水下動應(yīng)變在線測試Fig. 9 CFRP propeller underwater strain online measurement

具體工況設(shè)置為：

1） 測試工況1。螺旋槳進速為0 m/s，轉(zhuǎn)速為50，100，150，······，400 r/min，以50 r/min 的間隔依次增加，共8 種不同轉(zhuǎn)速。在每種轉(zhuǎn)速工況穩(wěn)定后，采集預(yù)埋的FBG 傳感器的數(shù)據(jù)，F(xiàn)BG 波長解調(diào)儀的采樣頻率為2 kHz。

2） 測試工況2。螺旋槳轉(zhuǎn)速為427 r/min，該工況數(shù)據(jù)采集分2 個階段：進速為0.0，0.2，0.4，······，1.6 m/s，以0.2 m/s 的間隔依次增加，共9 種進速，在每種進速工況穩(wěn)定后，采集預(yù)埋的FBG 傳感器數(shù)據(jù)和CFRP 螺旋槳的水動力數(shù)據(jù)；當(dāng)進速為1.8，2.0，2.2，2.4，2.6 和2.8 m/s 時，由于測試系統(tǒng)存在噪聲干擾，此時僅采集CFRP 螺旋槳的水動力數(shù)據(jù)。

3.3 試驗結(jié)果與分析

3.3.1 測試工況1

圖10(a)～圖10(b) 為 測 試 工 況1 中 在50 和400 r/min 轉(zhuǎn)速下預(yù)埋FBG 傳感器的應(yīng)變時域曲線，該曲線呈現(xiàn)明顯的周期性，使用傅立葉變換，選用漢寧窗獲得動應(yīng)變的頻譜圖，如圖10(c)～圖10(d)所示，其中APF為螺旋槳轉(zhuǎn)動的軸頻，其值為轉(zhuǎn)速除以60，r為轉(zhuǎn)速。工況1 中其他轉(zhuǎn)速下的應(yīng)變時域圖及頻譜圖與50 和400 r/min 轉(zhuǎn)速的類似，此處不再贅述。

圖10 不同轉(zhuǎn)速下預(yù)埋FBG 傳感器的應(yīng)變曲線Fig. 10 Embedded FBG sensors strain curves with different rotation speed

由圖10 中的動應(yīng)變頻譜圖可以看出測試結(jié)果的信噪比較高，在特定頻率處有明顯峰值。表2統(tǒng)計了各FBG 傳感器在各轉(zhuǎn)速下的應(yīng)變特征頻率及峰值。

表2 不同轉(zhuǎn)速下CFRP 螺旋槳應(yīng)變特征頻率與峰值Table 2 Frequency and amplitude of strain with different speeds

表2 中的結(jié)果表明，各個FBG 傳感器的應(yīng)變峰值均出現(xiàn)在2 倍的APF處。經(jīng)分析，可能是測試系統(tǒng)支架的影響導(dǎo)致來流不均勻、螺旋槳及軸存在不對中導(dǎo)致的。對FBG 傳感器的動應(yīng)變峰值進行分析，在各轉(zhuǎn)速下，3 個FBG 傳感器的應(yīng)變峰值的大小關(guān)系一致，即FBG2-2 的應(yīng)變峰值最大，F(xiàn)BG2-3 的應(yīng)變幅值最小。說明FBG2-2 傳感器處的應(yīng)變和變形最大，F(xiàn)BG2-3 傳感器處的應(yīng)變和變形最小。表明螺旋槳在水下運行時，槳葉不同位置的應(yīng)變和變形不同，取決于螺旋槳的結(jié)構(gòu)力學(xué)特征。

3.3.2 測試工況2

圖11 為螺旋槳轉(zhuǎn)速r=427 r/min，螺旋槳進速v為0.2 和1.6 m/s 時，F(xiàn)BG 傳感器的應(yīng)變時域曲線和頻譜圖。工況2 中其他進速下的應(yīng)變時域圖及頻譜圖與0.2 和1.6 m/s 進速的類似，此處不再贅述。表3 統(tǒng)計了各個FBG 傳感器在各進速下的應(yīng)變特征頻率及峰值。

表3 不同進速下CFRP 螺旋槳應(yīng)變特征頻率與峰值Table 3 Frequencies and amplitude of strain with different velocities

圖11 不同進速下預(yù)埋FBG 傳感器的應(yīng)變曲線Fig. 11 Embedded FBG sensors strain with different velocity

表3 的結(jié)果表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時，在各種進速下，3 個FBG 傳感器的動應(yīng)變特征頻率保持14.2 Hz不變，仍然是2 倍的APF。3 個FBG 傳感器采集的動應(yīng)變幅值仍然為FBG2-2 的應(yīng)變幅值最大，F(xiàn)BG2-3 的應(yīng)變幅值最小，與工況1 的測試結(jié)果一致。

測試工況2 中，當(dāng)進速為0.0～1.6 m/s 時，同時采集FBG 傳感器的動應(yīng)變數(shù)據(jù)和螺旋槳的水動力數(shù)據(jù)；當(dāng)進速大于1.6 m/s 后，僅采集螺旋槳的水動力數(shù)據(jù)；繪制CFRP 螺旋槳在進速0.0～2.8 m/s的敞水特性曲線，如圖12 所示。圖中，KT為推力系數(shù)，KQ為扭矩系數(shù)，η 為螺旋槳效率。

圖12 CFRP 螺旋槳的敞水特性曲線（n=427 r/min）Fig. 12 Open water character of CFRP propeller (n=427 r/min)

圖13 為CFRP 螺旋槳敞水特性與相同型值金屬螺旋槳敞水特性的比較，兩者趨勢基本一致，表明預(yù)埋FBG 傳感器的CFRP 螺旋槳達到其基本性能，也證明了FBG 傳感器的動應(yīng)變測試可行可靠。

圖13 CFRP 螺旋槳與金屬螺旋槳敞水特性比較Fig. 13 Comparison of open water character between CFRP propeller and metal propeller

4 結(jié) 語

本文利用FBG 傳感的技術(shù)優(yōu)勢，提出將FBG傳感器預(yù)埋于CFRP 螺旋槳，搭建了基于FBG 傳感器的CFRP 螺旋槳水下動應(yīng)變在線測試系統(tǒng)，設(shè)置了2 類測試工況：進速為0 m/s，轉(zhuǎn)速從50～400 r/min 依次增加；轉(zhuǎn)速保持427 r/min 不變，進速從0.0～1.6 m/s 依次增加。通過FBG 傳感器采集上述2 類工況下CFRP 螺旋槳的動應(yīng)變數(shù)據(jù)，并進行時域和頻域分析。結(jié)果表明：CFRP 螺旋槳上各測點的動應(yīng)變特征頻率一致，主要為2 倍軸頻，可能是螺旋槳測試系統(tǒng)的不均勻因素造成的；各測點的動應(yīng)變峰值取決于測點位置，即螺旋槳的結(jié)構(gòu)力學(xué)特征。

本文實現(xiàn)了CFRP 螺旋槳在水下運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的動應(yīng)變在線測試，驗證了螺旋槳水下動應(yīng)變測試的可行性，克服了螺旋槳水下在線測試的難題，測試結(jié)果合理可靠，可為CFRP 螺旋槳的理論設(shè)計和分析提供重要的實證依據(jù)，對研究其水動力性能具有重要意義。