復(fù)合材料螺旋槳

    傳統(tǒng)螺旋槳都是用錳-- 鎳-- 鋁-- 銅材(manganese-nickel-aluminum-bronze, MAB) 或鎳-- 鋁-- 銅(nickel-aluminum-bronze, NAB) 制造的, 因?yàn)檫@些合金材料變形小、強(qiáng)度高、可靠性好. 然而, 加工成所需要的螺旋槳幾何形狀所花費(fèi)的代價(jià)較高. 與此同時(shí), 金屬合金螺旋槳材料易遭受腐蝕、空泡損傷和疲勞破壞導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生, 且這些合金材料的聲學(xué)阻尼性能較差, 容易使螺旋槳產(chǎn)生振動(dòng)而誘發(fā)噪聲. 因此, 如何利用現(xiàn)代高新材料技術(shù)研制成本低、性能優(yōu)異的新型螺旋槳已成為必然的發(fā)展趨勢(shì).

    近年來(lái)復(fù)合材料螺旋槳開始引起人們的極大興趣. 復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度和比剛度, 因而可以大大減輕螺旋槳的重量. 另外使用更輕的復(fù)合材料意味著槳葉的厚度可以設(shè)計(jì)得更厚和易于變形, 以推遲螺旋槳的空化起始速度. 復(fù)合材料還具有減少腐蝕和空泡損傷、改善疲勞特性、較好的材料阻尼特性及減少全壽命周期費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn).

    復(fù)合材料螺旋槳槳葉、槳轂實(shí)現(xiàn)"材料-結(jié)構(gòu)-功能"一體化

    對(duì)于不同于金屬合金材料, 復(fù)合材料具有變形耦合行為(如拉剪耦合、彎扭耦合、拉彎耦合等), 不同的復(fù)合材料鋪層角度和鋪層順序, 會(huì)產(chǎn)生不同的工作特性, 因而通過合理的選材,借助纖維鋪層結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù),可實(shí)現(xiàn)高性能槳葉的結(jié)構(gòu)功能一體化的目的.

    張孝深等[7] 指出采用分葉注射整體成型的玻璃纖維增強(qiáng)尼龍螺旋槳組合式聯(lián)接結(jié)構(gòu)形式,槳葉之間通過金屬嵌件來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的聯(lián)接, 材料采用S 玻璃纖維和尼龍610.

    瑞典的ProPulseAB公司申請(qǐng)了ProPulse 模塊化螺旋槳結(jié)構(gòu): 金屬槳轂和可拆裝的復(fù)合材料槳葉, 槳葉損壞時(shí), 便于分別更換.

    英國(guó)奎奈蒂克(QinetiQ) [8] 復(fù)合材料螺旋槳, 由5 個(gè)用螺栓固定并結(jié)合在NAB 轂上的復(fù)合材料葉片組成. Lin [1] 設(shè)計(jì)的復(fù)合材料螺旋槳截面采用三明治夾芯結(jié)構(gòu), 由三向E-- 玻璃纖維外殼和編織的抗剪E-- 玻璃纖維網(wǎng)架和起非結(jié)構(gòu)作用的聚氨酯導(dǎo)邊和隨邊以及半徑0.8R 至葉梢為鎳鋁銅合金構(gòu)成, 夾芯采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫芯填充.

槳葉纖維層成型

    美國(guó)[3] 設(shè)計(jì)弦向和展向采用變剛度的S -- 玻璃纖維的三明治夾芯結(jié)構(gòu)水翼, 后又制作了碳纖維材料的三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合材料水翼.2006 年[6] 在美國(guó)水面艦艇中心對(duì)復(fù)合材料螺旋槳縮比模型進(jìn)行了測(cè)試, 承載層采用碳纖維鋪設(shè). Lin 等[9] 試驗(yàn)用螺旋槳采用碳纖維和環(huán)氧樹脂材料的實(shí)心結(jié)構(gòu)形式,槳轂采用不銹鋼榫頭結(jié)構(gòu).

    德國(guó)Stauble [10] 應(yīng)用于潛艇U19 的復(fù)合材料螺旋槳槳葉由碳纖維和環(huán)氧樹脂構(gòu)成, 槳轂為銅合金合楔形結(jié)構(gòu). U26 艇應(yīng)用的高阻尼凱夫拉纖維材料, 該槳葉也采用組合結(jié)構(gòu)聯(lián)接, 同樣槳葉和槳轂采用楔形聯(lián)接技術(shù).

    德國(guó)的AIR 公司[8] 采用制造了Contur 系列組合式復(fù)合材料螺旋槳槳葉材料使用的是碳、芳綸、聚乙烯纖維增強(qiáng)材料制作, 成型加工更為精確. 槳轂均為銅合金楔形榫頭結(jié)構(gòu), 整個(gè)螺旋槳的重量?jī)H有鎳鋁青銅(NAB) 螺旋槳的1/3.

    為對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外關(guān)于復(fù)合材料螺旋槳的結(jié)構(gòu)形式和材料選用, 將相關(guān)文獻(xiàn)中的信息列于下表中.

    提高復(fù)合材料螺旋槳強(qiáng)度、疲勞和振動(dòng)特性

復(fù)合材料螺旋槳

    由于復(fù)合材料質(zhì)量輕和易于變形導(dǎo)致的復(fù)合材料螺旋槳基頻低的現(xiàn)象, 很可能引起槳葉共振而使槳葉的受力增大且易產(chǎn)生槳葉疲勞問題,特別是復(fù)合材料螺旋槳工作在空間變化的流場(chǎng)中.

    范永忠等[11] 指出通過對(duì)玻璃纖維和碳纖維及其混雜對(duì)復(fù)合材料螺旋槳模型阻尼性能的影響試驗(yàn)來(lái)看: 玻璃纖維(glass fiber, GF) 復(fù)合材料的阻尼性能比碳纖維(carbon fiber, CF) 復(fù)合材料要好許多. GF/CF 混雜復(fù)合材料的阻尼性能符合混合率、阻尼因子介于GF 復(fù)合材料和CF 復(fù)合材料之間. 玻璃纖維在外層時(shí), 復(fù)合材料的阻尼性能高于玻璃纖維在內(nèi)層時(shí)的情況.

    Lin 等[4] 在非線性水彈性方法中引入Hashin [12] 復(fù)合材料破壞準(zhǔn)則,評(píng)估了復(fù)合材料螺旋槳的強(qiáng)度, 對(duì)不同纖維角度和鋪層順序?qū)~的基體材料和纖維材料的破壞方式以及是否發(fā)生分層破壞和可能破壞的位置作了對(duì)比分析, 分析表明鋪層方式的不同影響螺旋槳的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度, 還可能導(dǎo)致槳葉發(fā)生基體和分層破壞. 尤其要關(guān)注導(dǎo)邊和隨邊是否發(fā)生分層破壞.

 參看文獻(xiàn)

    [1] Lin G. Comparative stress-deflection analyses of a thickshellcomposite propeller blade. Bethesda: David TaylorResearch Center, 1991

    [2]  Searle T, Chudley J, Short D, et al. The composite advantage.In: SNAME Propellers/Shafting'94, Virginia Beach,VA, USA, 1994

    [3] Dai C, Fraser J, Coffin P, et al. Hydrodynamic simulationof a passive blade control for tip vortex cavitationcontrol. In: International Conference on Propeller Cavitation,Newcastle Upon Tyne, United Kingdom, 1995

    [4]  Lin H, Lin J. Strength evaluations of a composite marinepropeller blade. Journal of Reinforced Plastics and Composites,2005, 17: 1791-1807

    [5]  Gowing S, Coffin P, Dai C. Hydrofoil cavitation improvementswith elastically coupled composite material. In:

    [6] 張孝深, 陶守華, 許大五. 組合式增強(qiáng)尼龍船用螺旋槳結(jié)構(gòu).船舶工程, 1982, (01): 51-52

    [7] Marsh G. A new start for marine propellers? ReinforcedPlastics, 2004, 48(11): 34-37

    [8]  Lin C C, Lee Y J, Hung C S. Optimization and experimentof composite marine propellers. Composite Structures,2009, 89: 206-215

    [9] Stauble U. Advances in submarine propulsion. NavalForces, 2007, 28

    [10]  Wozniak C D. Analysis, fabrication, and testing of a compositebladed propeller for a naval academy yard patrol(YP) craft. Annapolis: Naval Academy, 2005

    [11]  范永忠, 孫康, 吳人潔. 環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的阻尼性能及在降噪上的應(yīng)用. 研究材料工程, 2000(3): 29-35

    [12]Harshin Z. Failure criteria for unidirectional fiber composites. Journal of Applied Mechanics, 1980, 47: 329-334

責(zé)任編輯：周婭

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