优秀论文推荐｜哈尔滨工程大学：复合材料螺旋桨BEM−FEM流固耦合计算方法研究

摘要：在船舶设计中，螺旋桨是推动船舶前进的关键部件。传统的金属螺旋桨虽然性能可靠，但重量大且易腐蚀。复合材料螺旋桨因其轻量化和高抗腐蚀性而备受关注，但其低刚度特性导致桨叶在工作时容易变形，影响性能。因此，准确预报复合材料螺旋桨的性能至关重要。

在船舶设计中，螺旋桨是推动船舶前进的关键部件。传统的金属螺旋桨虽然性能可靠，但重量大且易腐蚀。复合材料螺旋桨因其轻量化和高抗腐蚀性而备受关注，但其低刚度特性导致桨叶在工作时容易变形，影响性能。因此，准确预报复合材料螺旋桨的性能至关重要。

为解决这一问题，哈尔滨工程大学郭春雨教授等人提出了一种基于边界元法（BEM）和有限元法（FEM）的流固耦合计算方法。这种方法结合了BEM在流体动力计算中的高效性和FEM在结构分析中的精确性，能够准确模拟复合材料螺旋桨在水中的工作状态。BEM用于计算螺旋桨桨叶表面的压力和水动力，FEM则用于预测桨叶在载荷下的变形和应力分布。通过双向数据传递和迭代计算，实现流固耦合，得到准确的性能数据。

通过5471桨模型的数值模拟和实验数据对比，验证了该方法的可行性。结果显示，该方法计算简单且精度高，能够准确预报复合材料螺旋桨在不同工况下的水动力性能和结构变形。这对于设计更高效、更可靠的螺旋桨，提升船舶航行性能具有重要意义。这种BEM−FEM耦合方法为复合材料螺旋桨的设计和研究提供了一种新的、有效的工具，推动了船舶推进技术的发展。

● 论文主要内容

研究背景：

• 复合材料螺旋桨的优势：复合材料螺旋桨相比传统金属螺旋桨具有重量轻、抗腐蚀性强、刚度低等优点。在相同桨型下，复合材料螺旋桨最大可减重75%，且具有更优秀的抗腐蚀能力，这对长期在海水中工作的螺旋桨尤为重要。然而，由于复合材料的刚度较低，桨叶在受到相同载荷时变形更大，这种变形会显著影响螺旋桨的水动力性能。• 研究需求：为了实现对复合材料螺旋桨水动力性能的准确预报，迫切需要构建一种考虑流固耦合作用、能准确预报复合材料螺旋桨变形及水动力性能的方法。

研究方法：

BEM−FEM耦合方法：结合边界元法（BEM）和有限元法（FEM）建立复合材料螺旋桨流固耦合计算方法。BEM用于计算复合材料螺旋桨桨叶表面压力及水动力，并将计算得到的桨叶表面压力传递到有限元结构模型中。FEM用于预报复合材料螺旋桨桨叶受到载荷时的位移与应力分布，并将变形传递到螺旋桨边界元法水动力计算中，从而实现双向流固耦合计算。

计算流程：

1. 螺旋桨建模及网格划分：建立螺旋桨的面网格和结构体网格，用于后续的水动力和结构变形计算。2. BEM计算：应用BEM计算螺旋桨的水动力性能，得到表面载荷信息，为桨叶的结构变形计算提供数据。3. FEM计算：将复合材料的材料属性输入FEM中，构建各向异性材料的刚度矩阵，然后输入BEM计算得到的表面载荷信息，进行有限元结构变形计算，得到桨叶变形后的有限元模型。4. 双向流固耦合：将变形后的螺旋桨模型再次导入BEM中进行水动力性能计算，更新水动力性能后继续采用FEM求解桨叶变形，迭代直至计算结果达到收敛条件。

实验验证：

• 5471桨模型：应用该方法对5471桨进行计算，并与文献中的试验值进行对比分析，以验证该方法的可行性。5471桨模型的直径为2英尺（0.6096米），有6个桨叶，剖面翼型为NACA 16a=0.8，展向数据具体参数可参见文献。• 工况设置：选取进速系数J=0.5～0.9，转速n=454和909 r/min进行验证。• 网格收敛性分析：通过对比不同网格数量下的数值模拟结果，选取最佳网格数，以提高计算精度和效率。结果表明，网格数达到9×27时，计算结果趋于稳定，导数接近于0，因此可以认为在面网格数为10×30时达到收敛效果。• 数值方法验证：将5471桨模型的数值模拟结果与文献中的实验数据进行对比。结果显示，扭矩系数计算值与试验值相比偏小；在n=454 r/min时，本文所构建算法的结果与试验值间的平均误差为1.7%，在n=909 r/min时平均误差为4%，计算结果与试验值更为接近，验证了本文方法的可行性。

关键结论：

1. 方法有效性：通过应用本文所构建的基于BEM−FEM耦合的复合材料螺旋桨流固耦合方法，对5471螺旋桨在不同转速和进速系数下的水动力性能进行数值计算，以及与现有文献中实验数据的比较，显示两者间的误差分别为1.7%和4%，结果吻合良好，说明该方法不仅简单，还拥有较高的计算精度，验证了本文方法的可行性。2. 性能对比：应用BEM对5471桨型刚性桨在454 r/min时9个进速系数下的水动力性能计算，以及相同工况下刚性桨与复合材料螺旋桨在水动力性能上的差异对比，发现复合材料螺旋桨的推力系数与扭矩系数始终略小于刚性桨，且随着进速系数的增加，差距逐渐减小；在低进速系数下，效率比刚性桨的高，但随着进速系数的增大，在高进速系数下效率要低于金属桨。3. 设计指导：采用本文建立的基于BEM−FEM耦合的复合材料螺旋桨流固耦合方法，能够准确得出复合材料螺旋桨在多种工况下的应力、位移分布以及水动力性能，适用于复合材料螺旋桨的理论设计以及优化设计，可提高计算效率。