复合材料螺旋桨流固耦合振动噪声研究综述

黄政， 熊鹰， 鲁利

(1.海军工程大学 舰船与海洋学院，湖北 武汉 430033； 2.海军研究院92942部队，北京 100161)

常规金属螺旋桨通常在几何形状上对水动力性能进行匹配设计和多参数优化，在降噪方面往往是通过降低空泡起始航速、优化剖面压力分布、改善尾流场等设计来避免空泡噪声，为提高巡航航速的低噪声金属螺旋桨设计空间较窄，在不考虑结构振动特性与流动特性耦合因素的情况下，始终无法涉及流固耦合噪声问题。如船机桨结构耦合振动噪声、桨叶固有频率和涡发放频率耦合的唱音等，均需通过螺旋桨的流-固-声耦合研究来综合分析噪声贡献，螺旋桨采用复合材料后，可在材料方面具有更大的设计提升空间。

国内外研究复合材料螺旋桨几十年，发现其拥有诸多优势：

1)减重量，降负载：复合材料具有较高的比强度和比刚度，在满足强度的前提下，可减轻螺旋桨的重量达40%，降低了艉轴的负载，有利于减小轴承的磨损和振动；

2)抗冲击，增寿命：复合材料具有较好的抗冲击性能，可抵抗表面冲刷和空泡损伤，保持桨叶表面的光顺性；设计优良的复合材料具有抗疲劳性和耐腐蚀性，可改善疲劳特性，降低全寿命周期成本；

3)非均质，可设计：复合材料具有非均匀、各向异性等性质，其独特的弯扭耦合特性使研究者可根据需求自由设计材料组成，从而利用弯扭变形改善螺旋桨的性能；

4)易成型，便批量：复合材料螺旋桨可采用RTM或模压等工艺成型，在批量生产方面具有很大优势，并可设计成可拆卸锥形插入的复合材料螺旋桨桨叶，便于维修和更换；

5)低磁性，促隐蔽：复合材料由纤维和树脂组成，具有低磁性的特点，可抵抗电磁扫描的探测，增强隐蔽性；

6)高阻尼，减振动：复合材料具有较高的阻尼特性，在共振频率处可减弱振动能量放大，经过刚度、阻尼的匹配设计可实现减振降噪的目标；

7)改频率，避共振：复合材料的刚度和密度较小，能够改变螺旋桨的固有振动特性，通过设计可避开共振频率，解决工程中常见的共振和唱音等问题。

随着舰船对降噪要求的不断提高，常规的改善流场的设计方法已不能满足需求，导致船体艉部振动和特定频段下的强噪声等问题无法根源性地解决，亟需从流固耦合振动噪声方面开展工作。流固耦合现象普遍存在于舰船多个装置中，采用复合材料的螺旋桨更是如此，因为相比于常规金属桨其弹性变形更大，在水动力和结构振动性能方面更易受流固耦合效应的影响，但复合材料具有各向异性、高阻尼等特性，具有很强的可设计性，其多方面的优势应加以研究并发挥。

1 复合材料螺旋桨流固耦合变形研究

复合材料螺旋桨作为弹性升力体，稳态耦合变形是反映其弹性的基本量，并影响着周围流场特性和螺旋桨的水动力性能。

Young[1-2]在复合材料螺旋桨的流固耦合算法方面做了大量的理论研究，将边界元法与有限元法相结合，在考虑流体和结构相互作用的基础上讨论了水动力模型和有限元模型的控制方程以及两者之间的耦合求解算法。还就复合材料特性对螺旋桨水动力性能的影响、螺旋桨在紧急倒车等极端工况下性能以及尺度效应等问题做了相关的研究和探讨工作[3-4]，从而开发了自适应弹性螺旋桨，其研究成果多次在ITTC报告中引用。Liu等[5-6]从材料和几何设计2个方面，有效地利用复合材料螺旋桨的弯扭耦合特性提高了其水动力性能；分析了非均匀流场中弹性桨相比于刚性桨的性能改变，对比了桨叶旋转不同角度的最大变形量、应力和叶梢螺距变化，发现相比于刚性桨，弹性桨在高负载时的螺距减小使得水动力载荷减小，在低负载时的螺距角增大使得水动力载荷增大。

澳大利亚Mulcahy[7-8]在2010年前参与了先进复合材料合作研究中心的复合材料螺旋桨自适应技术项目，先计算了不同侧斜悬臂板的水动力性能，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桨采用不同纤维铺层后的水动力性能改善，其在设计工况的效率提高了1%，在非设计工况则提高得更多，预期在实船操纵中会获得更明显的改善，于2014年进一步从纤维铺层方面对复合材料螺旋桨的噪声进行优化[9]，优化后碳纤维螺旋桨的噪声比金属桨有所降低。Manudha与Davis合作在澳大利亚海事大学空泡水筒中以随机振动和静态变形的方式测试了应力和变形[10-11]，分析植入FBG传感器的水翼(图1)在特定频率的振荡，从叶根向梢部倾斜的传感器(图2)还能在不同载荷情况下进行测量，其成果被27届ITTC报告引用[12]。

图1 植入FBG光纤的弹性水翼Fig.1 Elastic hydrofoil implanted FBG optical fiber

图2 水翼上下面传感器的布置Fig.2 Positioning of sensors on up and down side of hydrofoil

Chen等[12]在美国海军水面战争中心卡德罗克分部对AIR公司生产的大侧斜薄叶复合材料螺旋桨(图3、4)进行了水动力性能和变形特性的测量试验，空泡水筒工作段截面为0.915 m×0.915 m，试验螺旋桨直径为0.61 m。研究发现复合材料螺旋桨在效率和空泡方面性能优于金属桨，效率提高了5%，空泡性能改善了15%～50%，高速摄影仪测量的变形量反映出螺距角的减小。

图3 碳纤维布铺层[13]Fig.3 Carbon fiber fabric plying[13]

图4 复合材料单桨叶[13]Fig.4 Composite single blade[13]

Yan[14-15]对流固耦合方法进行了研究，介绍了ALE方程、无滑移边界条件、交界面数据传递、准直接耦合策略等的计算思路，并通过串列水翼的水动力载荷和扭转变形测量试验验证了计算方法。Hutchison[16]对水翼的二维和三维流固耦合计算方法开展了研究工作，对比了单向和双向流固耦合的区别。Chen等[17]提出一种主动可旋转襟翼的可变形复合材料螺旋桨，该襟翼能改变叶片局部位置的拱度，通过数值计算证明可提高效率1.1%。

现在，国内已有很多学者对复合材料螺旋桨的流固耦合性能进行了研究。台湾大学的Lin等[18]对直径0.305 m的碳纤维螺旋桨在空泡水筒中进行了试验研究，测量了推力、扭矩及轴向变形量，并验证了数值算法的有效性。变形量的测量采用高速摄影的方式，首先在桨毂上标记刻度线，每隔0.5°拍摄一张螺旋桨的静止照片，再拍摄试验工况下变形后的螺旋桨照片，与相同位置的静止照片进行比较，依据图形像素与实际位移的关系换算求得轴向变形量，得出螺距角随着进速系数的降低而减小的规律。李果[19]在Workbench平台中实现了双向流固耦合算法，对不同铺层复合材料螺旋桨的水动力性能和尾流特性进行了分析。曾志波等[20]基于面元法和有限元法建立了流固耦合算法，对复合材料螺旋桨的水动力性能和螺距变化进行了研究。贺伟等[21]进行了复合材料螺旋桨的水动力性能和变形研究，并进行了模型试验，对纤维铺层方式的研究较为深入，实现了预变形设计方法。李子如等[22]研究了考虑水弹性影响的螺旋桨设计方法。黄璐等[23]通过CFD方法实现了螺旋桨的流固耦合算法，并研究了复合材料螺旋桨的结构特性和水动力性能。王丹[24]基于Workbench对金属螺旋桨和复合材料螺旋桨进行了双向流固耦合模拟。PEI等[25]对单叶片离心泵叶轮的流场特性进行了流固耦合数值计算。

2004年，海军工程大学熊鹰等[26]总结了复合材料在推进器领域的应用进展，并预言其具有广阔的前景。其团队自2012年以来对复合材料螺旋桨进行了深入的研究，将面元法和有限元法结合起来，建立了螺旋桨的流固耦合算法并通过模型试验进行了验证[27]，分析了变形导致的几何参数、水动力性能、受力特点的改变[28]，得出螺距和纵倾减小、侧斜角增大、推力和扭矩减小、效率在低进速时增大高进速时减小等结论[29]。从船机桨匹配的角度出发，解释了复合材料螺旋桨改善水动力性能的原理，采用环氧树脂基碳纤维研究了纤维铺层方向及方式对螺旋桨水动力性能的影响，得到了使螺距角减小的铺层方式，从而建立了复合材料螺旋桨预变形设计方法[30-31]。另外在Workbench平台上，采用基于粘性流理论的计算流体力学方法与有限元软件相结合进行了流体载荷与结构变形的双向耦合传递[32-33]，对金属螺旋桨和复合材料螺旋桨进行了水动力性能和变形的对比研究。

通过以上流固耦合变形的研究可见，螺旋桨采用复合材料后必然会产生不可忽视的变形，成为稳态流固耦合计算的重要内容。但对于设计性能优良的螺旋桨来说，变形必将使其偏离原最佳设计形状，这对于螺旋桨的推进效率来说是不利的，因此若要考虑复合材料螺旋桨，必须进行预变形设计。而在周期性地适应船后伴流场方面，如果对复合材料铺层进行合理设计，便可有效利用其自适应弯扭变形特性，使其顺应流场而产生更趋平稳的脉动力，这反而使变形成为有利面。

2 复合材料螺旋桨流固耦合振动研究

因为螺旋桨旋转而导致的流固耦合振动较为复杂，弹性水翼则可作为简化对象。Andoine Ducoin在法国海军研究院空泡水筒中进行了弹性和空泡水翼的水动力和振动测量试验(图5)，根部固定的弹性水翼为NACA66型，测得了平均振动速度谱(图6)[34-35]，发现了空泡能激励起结构的固有频率、扭转模态的激发对空泡结构耦合有很大影响、层状和泡状空泡对振动谱的影响、空泡长度接近水翼弦长时振动最大等规律。

图5 弹性水翼振动测量试验装置Fig.5 Vibration test equipment of flexible hydrofoil

图6 不同攻角的振动速度谱Fig.6 Vibration velocity spectrum of different attack angle

Young在复合材料螺旋桨流固耦合研究的基础上，近几年开始转向复合材料螺旋桨空泡和振动研究，对螺旋桨流固耦合振动问题进行了简化，开展水翼空泡振动耦合研究，分析了材料的各向异性和附加质量对复合材料矩形悬臂板的自由振动响应。结果表明，湿模态固有频率比干模态降低50%～70%，附加质量随纤维方向而改变，并影响振型和流体惯性力[36]。得出了空泡发生和溃灭频率与水翼固有频率的关系，并发现一些频率集中和共振现象[37]。导边的空泡起始会改变压力分布，进而改变水翼的振动幅值和频率[38]。

Hu[39]对空泡水筒中的弹性水翼进行了流固耦合研究，在无空泡流的工况下，攻角和雷诺数的增加会使水翼的变形量增大，扭转变形会使升力增大，在空泡流的工况下，水翼的小幅振动对空泡形态影响有限，空泡溃灭不影响水翼的弯曲模态，升力的频谱包含一阶弯曲模态的频率。洪毅团队[40]三明治复合材料螺旋桨的推进效率和结构响应进行了深入的研究，并将其与传统层合复合材料螺旋桨进行了对比，结果表明三明治复合材料螺旋桨减重更明显，低进速系数时效率高而高进速系数时效率低；当其表面纤维层越薄，扭曲变形对固有频率的影响越大。

北京理工大学[41-42]对摆动水翼的水动力性能进行了数值计算，与模型试验吻合较好，且对流固耦合特性进行了初步的分析。范国栋[43]对水翼的声振耦合特性进行了计算和试验研究(图7)，试验中在水翼下方通过激光多普勒测量端部振动，并与置于轴孔内的加速度传感器测得的数据对比，采用CFX 和Virtual Lab Acoustics软件对二维翼型的湍流脉动压力场和辐射声场进行了数值模拟，对比分析了考虑和不考虑水翼振动时声场分布的不同。

图7 水翼流致噪声试验装置Fig.7 Hydrofoil flow induced noise test equipment

黄政采用理论计算和试验测试的方法研究了铜桨和碳纤维桨的固有振动特性[44]，进一步得出有利于减轻振动的纤维铺层方式[45]。吴武辉对水介质、空气介质、临界转速空化以及停车等工况下的螺旋桨结构振动特性进行了试验研究，发现空化、流速和转速对振动幅值影响很大[46]。Mao[47]采用三维升力线和二维薄翼理论相结合的方法分析了侧斜对螺旋桨附加质量和阻尼特性的影响，结果表明侧斜主要影响耦合运动中侧斜、纵倾和螺距方向的附加质量和阻尼分量，并影响到推进系统的振动特性，指出非均匀流场的影响和桨叶耦合振动分析将是今后的重点工作。张瑞等[48]基于ANSYS Workbench平台对艇后伴流场中的螺旋桨振动特性进行了数值计算，以DTMB4381-4383桨为对象研究了侧斜对振动的影响，结果表明，随着螺旋桨侧斜的增加，桨叶最大变形增加，但脉动推力振荡和结构振动程度明显减弱；潜艇指挥台围壳的马蹄涡对推力的周期性影响很大。

目前，直接测量水下工作的螺旋桨桨叶振动方面，电测法难于在旋转体上实施测量，桨叶表面贴应变片干扰了螺旋桨的水动力，还成为了空泡产生的来源，但可以通过在复合材料螺旋桨桨叶中预埋光纤布拉格光栅(FBG)传感器来克服以上问题。Zetterlind等[49]对在复合材料螺旋桨桨叶中埋入FBG传感器进行测量的可行性进行了研究，测量了复合材料螺旋桨叶的疲劳特性[50]。Seaver等[51]通过在桨叶纤维中埋入FBG传感器的方式测量了空泡水筒中直径为0.24 m螺旋桨的动态性能，得出了非均匀流场中桨叶的应变变化，每个桨叶上埋入10个FBG传感器(图8)，其中5个分布在吸力面上，5个分布在压力面上，而信号数据通过光纤滑环(图9)传输到收集台上。Wozniak[52]采用埋入FBG传感器的方式对复合材料螺旋桨桨叶的变形进行了测量，指出最大的困难在于光纤从复合材料中如何引出。

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

图9 光纤数据传出Fig.9 Optical fiber data output

通过以上流固耦合振动的研究可见，纤维材料的选取和铺设方式均会对叶片振动特性产生影响，而对于复合材料来说，往往是刚度越大则变形越小，但振动时的阻尼也小，而刚度越小则变形越大，反而振动时的阻尼也很大，可以有效削弱固有频率处的振动峰值。因此可见，刚度阻尼是一对双刃剑，需要对其深入研究并合理设计，从而发挥既产生有利变形，又削弱振动的效果。

3 复合材料螺旋桨噪声研究

螺旋桨采用复合材料后，由于弹性引起的结构振动噪声必须考虑在内，随着耦合噪声问题的凸显，很多学者在原有螺旋桨流动噪声计算的基础上，开展了耦合振动噪声的研究工作。

在复合材料螺旋桨的噪声研究方面，韩国的Paik等[53]采用高速摄像仪和水听器对直径为0.25 m的碳纤维复合材料螺旋桨(图10)和2种铺层的玻璃纤维螺旋桨水弹性行为及噪声性能进行了模型试验研究，结果表明玻纤桨比碳纤桨的弹性大，推力和扭矩都较小，在J<0.9时，三者推进效率相近，J>0.9时，三者的推进效率相差较多，弹性越大效率越低，桨叶的弹性变形量反映出了螺距角的减小。水听器做成流线形安装于水筒侧壁(图11)，在等进速系数和等推力的工况下对比三者的噪声，等进速系数时玻纤桨的一阶叶频声压级和噪声总声级均低于碳纤桨；等推力时亦如此。因此，玻纤桨有较好的噪声性能，但即便是采用相同的材料，铺层方式也对噪声性能产生影响。

图10 碳纤维螺旋桨模型Fig.10 Carbon fiber propeller model

张鸿名[54]采用RTM工艺加工了碳纤维螺旋桨，在空泡水筒中对来流速度分别为1.67、2.08、2.92 m/s的3个工况进行了碳纤维桨和铝合金桨的噪声测量，试验结果表明，铝合金桨出现了唱音，而碳纤维桨没有出现唱音，复合材料螺旋桨降噪效果明显，总声级明显降低。

复合材料螺旋桨的减振降噪被视为诸多优势之首，而实现降噪的出发点大多在阻尼材料上，但阻尼往往与材料的刚度分不开，即刚度越大阻尼越小，那么二者的协调就需要进行机理研究。2010年，德国潜艇制造商Howaldtswerke-Deutsche Werft已生产出高阻尼粘弹性的复合材料螺旋桨[55]，阻尼损耗因子高达4%，并声称将应用于214级潜艇。

图11 水筒噪声测量试验装置Fig.11 Water tunnel noise test equipment

王晨[56]研究了非均匀伴流场中水动力载荷对螺旋桨受迫振动的影响，分析了横向和纵向振动的水动力阻尼特性。上海交通大学的范永忠等[57]研究了纤维的混杂铺层方式对阻尼性能的影响，结果表明，经GF/CF(玻纤/碳纤)混杂后，复合材料的阻尼性能符合混杂定律，阻尼因子介于GF与CF之间，且比基体的阻尼因子大，玻璃纤维的引入增加了复合材料的阻尼性能，而碳纤维正好相反；采用声频内耗仪基于扭摆强迫共振法测试了材料的阻尼值，研制出适合于鱼雷螺旋桨的吸声减振型复合材料[58]，复合材料通过碳纤维和玻璃纤维比例的调整，可以达到材料力学性能和阻尼性能的较佳匹配；从水中激振测试结果可以看出，GF/CF混杂纤维复合材料螺旋桨在空气和水中的阻尼比明显大于铝合金桨；混杂纤维复合材料螺旋桨的阻尼比高于碳纤维复合材料螺旋桨，表现出了比金属桨更好的抑制振动、降低噪声的能力。哈尔滨工业大学的洪毅[59]计算并评价了不同层合参数对复合材料螺旋桨桨叶结构阻尼的影响，阐述了复合材料螺旋桨结构阻尼的可设计性；通过不同层合参数复合材料螺旋桨的阻尼结构动态响应分析，建立了利用结构阻尼设计改善复合材料螺旋桨动力性能的方法，发现阻尼因子越大，复合材料螺旋桨的振幅越小，对复合材料螺旋桨的动力性能起着主要的影响。

通过以上流固耦合噪声的研究可见，螺旋桨采用复合材料后，因为弹性问题而使得结构振动噪声不得不考虑，而螺旋桨作为舰船流体动力性能的一个装置，往往只考虑流噪声。对于复合材料螺旋桨来说，流噪声和振动噪声是相互耦合共同贡献于总噪声辐射的2个方面，只要将其自适应弯扭变形特性和高阻尼特性充分合理利用并加以设计，才能使这么重要的舰船噪声源，从多个角度共同实现减振降噪的目标。

4 结论

1)通过以上国内外复合材料螺旋桨流固耦合振动噪声研究的分析可知，多种优势促进了其发展，然而国内较国外在理论研究、模型试验、实船生产、实船试验等方面都较滞后，仍有很大的差距。

2)国外对复合材料螺旋桨的研究已很深入，且应用于实船从不同方面实现了减振降噪，在研究中具有较强的理论水平。模型试验中通过FBG测量变形、测振仪测量振动、深浅水试验场中测量噪声等技术也很先进，复合材料生产技术比较发达，可以将高阻尼材料通过完善的机械化生产方式应用于舰船螺旋桨，且应用于实船大型化发展较快。

3)国内对复合材料螺旋桨的研究大多限于流固耦合水动力性能、稳态变形方面，对振动和噪声的研究很少，已有的变形测量技术较为粗糙，高阻尼材料不先进且行业不透明，阻尼测试技术也不够先进，弹性水翼振动和噪声方面的基础研究较少，没有形成完善的复合材料螺旋桨理论体系，在实船应用方面更是空白。

4)螺旋桨采用复合材料后，其弹性变形和振动不可忽略，但材料和铺层可合理设计以发挥自适应伴流场从而减小脉动力的效果。同时，复合材料水翼和螺旋桨的稳态流固耦合变形和瞬态流固耦合振动噪声研究至关重要，探索流体和结构耦合相互作用的规律，研究复合材料螺旋桨的减振降噪机理，通过有效控制刚度使变形场满足自适应伴流场的要求，并结合工艺实现形式探索刚度阻尼匹配设计方法，最终通过预变形设计补偿变形后的推进效率损失，将会推动复合材料螺旋桨的技术发展和实船应用。