復合材料螺旋槳流固耦合振動噪聲研究綜述

黃政， 熊鷹， 魯利

(1.海軍工程大學 艦船與海洋學院，湖北 武漢 430033； 2.海軍研究院92942部隊，北京 100161)

常規金屬螺旋槳通常在幾何形狀上對水動力性能進行匹配設計和多參數優化，在降噪方面往往是通過降低空泡起始航速、優化剖面壓力分布、改善尾流場等設計來避免空泡噪聲，為提高巡航航速的低噪聲金屬螺旋槳設計空間較窄，在不考慮結構振動特性與流動特性耦合因素的情況下，始終無法涉及流固耦合噪聲問題。如船機槳結構耦合振動噪聲、槳葉固有頻率和渦發放頻率耦合的唱音等，均需通過螺旋槳的流-固-聲耦合研究來綜合分析噪聲貢獻，螺旋槳采用復合材料后，可在材料方面具有更大的設計提升空間。

國內外研究復合材料螺旋槳幾十年，發現其擁有諸多優勢：

1)減重量，降負載：復合材料具有較高的比強度和比剛度，在滿足強度的前提下，可減輕螺旋槳的重量達40%，降低了艉軸的負載，有利于減小軸承的磨損和振動；

2)抗沖擊，增壽命：復合材料具有較好的抗沖擊性能，可抵抗表面沖刷和空泡損傷，保持槳葉表面的光順性；設計優良的復合材料具有抗疲勞性和耐腐蝕性，可改善疲勞特性，降低全壽命周期成本；

3)非均質，可設計：復合材料具有非均勻、各向異性等性質，其獨特的彎扭耦合特性使研究者可根據需求自由設計材料組成，從而利用彎扭變形改善螺旋槳的性能；

4)易成型，便批量：復合材料螺旋槳可采用RTM或模壓等工藝成型，在批量生產方面具有很大優勢，并可設計成可拆卸錐形插入的復合材料螺旋槳槳葉，便于維修和更換；

5)低磁性，促隱蔽：復合材料由纖維和樹脂組成，具有低磁性的特點，可抵抗電磁掃描的探測，增強隱蔽性；

6)高阻尼，減振動：復合材料具有較高的阻尼特性，在共振頻率處可減弱振動能量放大，經過剛度、阻尼的匹配設計可實現減振降噪的目標；

7)改頻率，避共振：復合材料的剛度和密度較小，能夠改變螺旋槳的固有振動特性，通過設計可避開共振頻率，解決工程中常見的共振和唱音等問題。

隨著艦船對降噪要求的不斷提高，常規的改善流場的設計方法已不能滿足需求，導致船體艉部振動和特定頻段下的強噪聲等問題無法根源性地解決，亟需從流固耦合振動噪聲方面開展工作。流固耦合現象普遍存在于艦船多個裝置中，采用復合材料的螺旋槳更是如此，因為相比于常規金屬槳其彈性變形更大，在水動力和結構振動性能方面更易受流固耦合效應的影響，但復合材料具有各向異性、高阻尼等特性，具有很強的可設計性，其多方面的優勢應加以研究并發揮。

1 復合材料螺旋槳流固耦合變形研究

復合材料螺旋槳作為彈性升力體，穩態耦合變形是反映其彈性的基本量，并影響著周圍流場特性和螺旋槳的水動力性能。

Young[1-2]在復合材料螺旋槳的流固耦合算法方面做了大量的理論研究，將邊界元法與有限元法相結合，在考慮流體和結構相互作用的基礎上討論了水動力模型和有限元模型的控制方程以及兩者之間的耦合求解算法。還就復合材料特性對螺旋槳水動力性能的影響、螺旋槳在緊急倒車等極端工況下性能以及尺度效應等問題做了相關的研究和探討工作[3-4]，從而開發了自適應彈性螺旋槳，其研究成果多次在ITTC報告中引用。Liu等[5-6]從材料和幾何設計2個方面，有效地利用復合材料螺旋槳的彎扭耦合特性提高了其水動力性能；分析了非均勻流場中彈性槳相比于剛性槳的性能改變，對比了槳葉旋轉不同角度的最大變形量、應力和葉梢螺距變化，發現相比于剛性槳，彈性槳在高負載時的螺距減小使得水動力載荷減小，在低負載時的螺距角增大使得水動力載荷增大。

澳大利亞Mulcahy[7-8]在2010年前參與了先進復合材料合作研究中心的復合材料螺旋槳自適應技術項目，先計算了不同側斜懸臂板的水動力性能，再分析得出了水翼在不同攻角的升阻比提高，最后研究了4384槳采用不同纖維鋪層后的水動力性能改善，其在設計工況的效率提高了1%，在非設計工況則提高得更多，預期在實船操縱中會獲得更明顯的改善，于2014年進一步從纖維鋪層方面對復合材料螺旋槳的噪聲進行優化[9]，優化后碳纖維螺旋槳的噪聲比金屬槳有所降低。Manudha與Davis合作在澳大利亞海事大學空泡水筒中以隨機振動和靜態變形的方式測試了應力和變形[10-11]，分析植入FBG傳感器的水翼(圖1)在特定頻率的振蕩，從葉根向梢部傾斜的傳感器(圖2)還能在不同載荷情況下進行測量，其成果被27屆ITTC報告引用[12]。

圖1 植入FBG光纖的彈性水翼Fig.1 Elastic hydrofoil implanted FBG optical fiber

圖2 水翼上下面傳感器的布置Fig.2 Positioning of sensors on up and down side of hydrofoil

Chen等[12]在美國海軍水面戰爭中心卡德羅克分部對AIR公司生產的大側斜薄葉復合材料螺旋槳(圖3、4)進行了水動力性能和變形特性的測量試驗，空泡水筒工作段截面為0.915 m×0.915 m，試驗螺旋槳直徑為0.61 m。研究發現復合材料螺旋槳在效率和空泡方面性能優于金屬槳，效率提高了5%，空泡性能改善了15%～50%，高速攝影儀測量的變形量反映出螺距角的減小。

圖3 碳纖維布鋪層[13]Fig.3 Carbon fiber fabric plying[13]

圖4 復合材料單槳葉[13]Fig.4 Composite single blade[13]

Yan[14-15]對流固耦合方法進行了研究，介紹了ALE方程、無滑移邊界條件、交界面數據傳遞、準直接耦合策略等的計算思路，并通過串列水翼的水動力載荷和扭轉變形測量試驗驗證了計算方法。Hutchison[16]對水翼的二維和三維流固耦合計算方法開展了研究工作，對比了單向和雙向流固耦合的區別。Chen等[17]提出一種主動可旋轉襟翼的可變形復合材料螺旋槳，該襟翼能改變葉片局部位置的拱度，通過數值計算證明可提高效率1.1%。

現在，國內已有很多學者對復合材料螺旋槳的流固耦合性能進行了研究。臺灣大學的Lin等[18]對直徑0.305 m的碳纖維螺旋槳在空泡水筒中進行了試驗研究，測量了推力、扭矩及軸向變形量，并驗證了數值算法的有效性。變形量的測量采用高速攝影的方式，首先在槳轂上標記刻度線，每隔0.5°拍攝一張螺旋槳的靜止照片，再拍攝試驗工況下變形后的螺旋槳照片，與相同位置的靜止照片進行比較，依據圖形像素與實際位移的關系換算求得軸向變形量，得出螺距角隨著進速系數的降低而減小的規律。李果[19]在Workbench平臺中實現了雙向流固耦合算法，對不同鋪層復合材料螺旋槳的水動力性能和尾流特性進行了分析。曾志波等[20]基于面元法和有限元法建立了流固耦合算法，對復合材料螺旋槳的水動力性能和螺距變化進行了研究。賀偉等[21]進行了復合材料螺旋槳的水動力性能和變形研究，并進行了模型試驗，對纖維鋪層方式的研究較為深入，實現了預變形設計方法。李子如等[22]研究了考慮水彈性影響的螺旋槳設計方法。黃璐等[23]通過CFD方法實現了螺旋槳的流固耦合算法，并研究了復合材料螺旋槳的結構特性和水動力性能。王丹[24]基于Workbench對金屬螺旋槳和復合材料螺旋槳進行了雙向流固耦合模擬。PEI等[25]對單葉片離心泵葉輪的流場特性進行了流固耦合數值計算。

2004年，海軍工程大學熊鷹等[26]總結了復合材料在推進器領域的應用進展，并預言其具有廣闊的前景。其團隊自2012年以來對復合材料螺旋槳進行了深入的研究，將面元法和有限元法結合起來，建立了螺旋槳的流固耦合算法并通過模型試驗進行了驗證[27]，分析了變形導致的幾何參數、水動力性能、受力特點的改變[28]，得出螺距和縱傾減小、側斜角增大、推力和扭矩減小、效率在低進速時增大高進速時減小等結論[29]。從船機槳匹配的角度出發，解釋了復合材料螺旋槳改善水動力性能的原理，采用環氧樹脂基碳纖維研究了纖維鋪層方向及方式對螺旋槳水動力性能的影響，得到了使螺距角減小的鋪層方式，從而建立了復合材料螺旋槳預變形設計方法[30-31]。另外在Workbench平臺上，采用基于粘性流理論的計算流體力學方法與有限元軟件相結合進行了流體載荷與結構變形的雙向耦合傳遞[32-33]，對金屬螺旋槳和復合材料螺旋槳進行了水動力性能和變形的對比研究。

通過以上流固耦合變形的研究可見，螺旋槳采用復合材料后必然會產生不可忽視的變形，成為穩態流固耦合計算的重要內容。但對于設計性能優良的螺旋槳來說，變形必將使其偏離原最佳設計形狀，這對于螺旋槳的推進效率來說是不利的，因此若要考慮復合材料螺旋槳，必須進行預變形設計。而在周期性地適應船后伴流場方面，如果對復合材料鋪層進行合理設計，便可有效利用其自適應彎扭變形特性，使其順應流場而產生更趨平穩的脈動力，這反而使變形成為有利面。

2 復合材料螺旋槳流固耦合振動研究

因為螺旋槳旋轉而導致的流固耦合振動較為復雜，彈性水翼則可作為簡化對象。Andoine Ducoin在法國海軍研究院空泡水筒中進行了彈性和空泡水翼的水動力和振動測量試驗(圖5)，根部固定的彈性水翼為NACA66型，測得了平均振動速度譜(圖6)[34-35]，發現了空泡能激勵起結構的固有頻率、扭轉模態的激發對空泡結構耦合有很大影響、層狀和泡狀空泡對振動譜的影響、空泡長度接近水翼弦長時振動最大等規律。

圖5 彈性水翼振動測量試驗裝置Fig.5 Vibration test equipment of flexible hydrofoil

圖6 不同攻角的振動速度譜Fig.6 Vibration velocity spectrum of different attack angle

Young在復合材料螺旋槳流固耦合研究的基礎上，近幾年開始轉向復合材料螺旋槳空泡和振動研究，對螺旋槳流固耦合振動問題進行了簡化，開展水翼空泡振動耦合研究，分析了材料的各向異性和附加質量對復合材料矩形懸臂板的自由振動響應。結果表明，濕模態固有頻率比干模態降低50%～70%，附加質量隨纖維方向而改變，并影響振型和流體慣性力[36]。得出了空泡發生和潰滅頻率與水翼固有頻率的關系，并發現一些頻率集中和共振現象[37]。導邊的空泡起始會改變壓力分布，進而改變水翼的振動幅值和頻率[38]。

Hu[39]對空泡水筒中的彈性水翼進行了流固耦合研究，在無空泡流的工況下，攻角和雷諾數的增加會使水翼的變形量增大，扭轉變形會使升力增大，在空泡流的工況下，水翼的小幅振動對空泡形態影響有限，空泡潰滅不影響水翼的彎曲模態，升力的頻譜包含一階彎曲模態的頻率。洪毅團隊[40]三明治復合材料螺旋槳的推進效率和結構響應進行了深入的研究，并將其與傳統層合復合材料螺旋槳進行了對比，結果表明三明治復合材料螺旋槳減重更明顯，低進速系數時效率高而高進速系數時效率低；當其表面纖維層越薄，扭曲變形對固有頻率的影響越大。

北京理工大學[41-42]對擺動水翼的水動力性能進行了數值計算，與模型試驗吻合較好，且對流固耦合特性進行了初步的分析。范國棟[43]對水翼的聲振耦合特性進行了計算和試驗研究(圖7)，試驗中在水翼下方通過激光多普勒測量端部振動，并與置于軸孔內的加速度傳感器測得的數據對比，采用CFX 和Virtual Lab Acoustics軟件對二維翼型的湍流脈動壓力場和輻射聲場進行了數值模擬，對比分析了考慮和不考慮水翼振動時聲場分布的不同。

圖7 水翼流致噪聲試驗裝置Fig.7 Hydrofoil flow induced noise test equipment

黃政采用理論計算和試驗測試的方法研究了銅槳和碳纖維槳的固有振動特性[44]，進一步得出有利于減輕振動的纖維鋪層方式[45]。吳武輝對水介質、空氣介質、臨界轉速空化以及停車等工況下的螺旋槳結構振動特性進行了試驗研究，發現空化、流速和轉速對振動幅值影響很大[46]。Mao[47]采用三維升力線和二維薄翼理論相結合的方法分析了側斜對螺旋槳附加質量和阻尼特性的影響，結果表明側斜主要影響耦合運動中側斜、縱傾和螺距方向的附加質量和阻尼分量，并影響到推進系統的振動特性，指出非均勻流場的影響和槳葉耦合振動分析將是今后的重點工作。張瑞等[48]基于ANSYS Workbench平臺對艇后伴流場中的螺旋槳振動特性進行了數值計算，以DTMB4381-4383槳為對象研究了側斜對振動的影響，結果表明，隨著螺旋槳側斜的增加，槳葉最大變形增加，但脈動推力振蕩和結構振動程度明顯減弱；潛艇指揮臺圍殼的馬蹄渦對推力的周期性影響很大。

目前，直接測量水下工作的螺旋槳槳葉振動方面，電測法難于在旋轉體上實施測量，槳葉表面貼應變片干擾了螺旋槳的水動力，還成為了空泡產生的來源，但可以通過在復合材料螺旋槳槳葉中預埋光纖布拉格光柵(FBG)傳感器來克服以上問題。Zetterlind等[49]對在復合材料螺旋槳槳葉中埋入FBG傳感器進行測量的可行性進行了研究，測量了復合材料螺旋槳葉的疲勞特性[50]。Seaver等[51]通過在槳葉纖維中埋入FBG傳感器的方式測量了空泡水筒中直徑為0.24 m螺旋槳的動態性能，得出了非均勻流場中槳葉的應變變化，每個槳葉上埋入10個FBG傳感器(圖8)，其中5個分布在吸力面上，5個分布在壓力面上，而信號數據通過光纖滑環(圖9)傳輸到收集臺上。Wozniak[52]采用埋入FBG傳感器的方式對復合材料螺旋槳槳葉的變形進行了測量，指出最大的困難在于光纖從復合材料中如何引出。

圖8 FBG布置示意Fig.8 Schematic plot of FBG positioning

圖9 光纖數據傳出Fig.9 Optical fiber data output

通過以上流固耦合振動的研究可見，纖維材料的選取和鋪設方式均會對葉片振動特性產生影響，而對于復合材料來說，往往是剛度越大則變形越小，但振動時的阻尼也小，而剛度越小則變形越大，反而振動時的阻尼也很大，可以有效削弱固有頻率處的振動峰值。因此可見，剛度阻尼是一對雙刃劍，需要對其深入研究并合理設計，從而發揮既產生有利變形，又削弱振動的效果。

3 復合材料螺旋槳噪聲研究

螺旋槳采用復合材料后，由于彈性引起的結構振動噪聲必須考慮在內，隨著耦合噪聲問題的凸顯，很多學者在原有螺旋槳流動噪聲計算的基礎上，開展了耦合振動噪聲的研究工作。

在復合材料螺旋槳的噪聲研究方面，韓國的Paik等[53]采用高速攝像儀和水聽器對直徑為0.25 m的碳纖維復合材料螺旋槳(圖10)和2種鋪層的玻璃纖維螺旋槳水彈性行為及噪聲性能進行了模型試驗研究，結果表明玻纖槳比碳纖槳的彈性大，推力和扭矩都較小，在J<0.9時，三者推進效率相近，J>0.9時，三者的推進效率相差較多，彈性越大效率越低，槳葉的彈性變形量反映出了螺距角的減小。水聽器做成流線形安裝于水筒側壁(圖11)，在等進速系數和等推力的工況下對比三者的噪聲，等進速系數時玻纖槳的一階葉頻聲壓級和噪聲總聲級均低于碳纖槳；等推力時亦如此。因此，玻纖槳有較好的噪聲性能，但即便是采用相同的材料，鋪層方式也對噪聲性能產生影響。

圖10 碳纖維螺旋槳模型Fig.10 Carbon fiber propeller model

張鴻名[54]采用RTM工藝加工了碳纖維螺旋槳，在空泡水筒中對來流速度分別為1.67、2.08、2.92 m/s的3個工況進行了碳纖維槳和鋁合金槳的噪聲測量，試驗結果表明，鋁合金槳出現了唱音，而碳纖維槳沒有出現唱音，復合材料螺旋槳降噪效果明顯，總聲級明顯降低。

復合材料螺旋槳的減振降噪被視為諸多優勢之首，而實現降噪的出發點大多在阻尼材料上，但阻尼往往與材料的剛度分不開，即剛度越大阻尼越小，那么二者的協調就需要進行機理研究。2010年，德國潛艇制造商Howaldtswerke-Deutsche Werft已生產出高阻尼粘彈性的復合材料螺旋槳[55]，阻尼損耗因子高達4%，并聲稱將應用于214級潛艇。

圖11 水筒噪聲測量試驗裝置Fig.11 Water tunnel noise test equipment

王晨[56]研究了非均勻伴流場中水動力載荷對螺旋槳受迫振動的影響，分析了橫向和縱向振動的水動力阻尼特性。上海交通大學的范永忠等[57]研究了纖維的混雜鋪層方式對阻尼性能的影響，結果表明，經GF/CF(玻纖/碳纖)混雜后，復合材料的阻尼性能符合混雜定律，阻尼因子介于GF與CF之間，且比基體的阻尼因子大，玻璃纖維的引入增加了復合材料的阻尼性能，而碳纖維正好相反；采用聲頻內耗儀基于扭擺強迫共振法測試了材料的阻尼值，研制出適合于魚雷螺旋槳的吸聲減振型復合材料[58]，復合材料通過碳纖維和玻璃纖維比例的調整，可以達到材料力學性能和阻尼性能的較佳匹配；從水中激振測試結果可以看出，GF/CF混雜纖維復合材料螺旋槳在空氣和水中的阻尼比明顯大于鋁合金槳；混雜纖維復合材料螺旋槳的阻尼比高于碳纖維復合材料螺旋槳，表現出了比金屬槳更好的抑制振動、降低噪聲的能力。哈爾濱工業大學的洪毅[59]計算并評價了不同層合參數對復合材料螺旋槳槳葉結構阻尼的影響，闡述了復合材料螺旋槳結構阻尼的可設計性；通過不同層合參數復合材料螺旋槳的阻尼結構動態響應分析，建立了利用結構阻尼設計改善復合材料螺旋槳動力性能的方法，發現阻尼因子越大，復合材料螺旋槳的振幅越小，對復合材料螺旋槳的動力性能起著主要的影響。

通過以上流固耦合噪聲的研究可見，螺旋槳采用復合材料后，因為彈性問題而使得結構振動噪聲不得不考慮，而螺旋槳作為艦船流體動力性能的一個裝置，往往只考慮流噪聲。對于復合材料螺旋槳來說，流噪聲和振動噪聲是相互耦合共同貢獻于總噪聲輻射的2個方面，只要將其自適應彎扭變形特性和高阻尼特性充分合理利用并加以設計，才能使這么重要的艦船噪聲源，從多個角度共同實現減振降噪的目標。

4 結論

1)通過以上國內外復合材料螺旋槳流固耦合振動噪聲研究的分析可知，多種優勢促進了其發展，然而國內較國外在理論研究、模型試驗、實船生產、實船試驗等方面都較滯后，仍有很大的差距。

2)國外對復合材料螺旋槳的研究已很深入，且應用于實船從不同方面實現了減振降噪，在研究中具有較強的理論水平。模型試驗中通過FBG測量變形、測振儀測量振動、深淺水試驗場中測量噪聲等技術也很先進，復合材料生產技術比較發達，可以將高阻尼材料通過完善的機械化生產方式應用于艦船螺旋槳，且應用于實船大型化發展較快。

3)國內對復合材料螺旋槳的研究大多限于流固耦合水動力性能、穩態變形方面，對振動和噪聲的研究很少，已有的變形測量技術較為粗糙，高阻尼材料不先進且行業不透明，阻尼測試技術也不夠先進，彈性水翼振動和噪聲方面的基礎研究較少，沒有形成完善的復合材料螺旋槳理論體系，在實船應用方面更是空白。

4)螺旋槳采用復合材料后，其彈性變形和振動不可忽略，但材料和鋪層可合理設計以發揮自適應伴流場從而減小脈動力的效果。同時，復合材料水翼和螺旋槳的穩態流固耦合變形和瞬態流固耦合振動噪聲研究至關重要，探索流體和結構耦合相互作用的規律，研究復合材料螺旋槳的減振降噪機理，通過有效控制剛度使變形場滿足自適應伴流場的要求，并結合工藝實現形式探索剛度阻尼匹配設計方法，最終通過預變形設計補償變形后的推進效率損失，將會推動復合材料螺旋槳的技術發展和實船應用。