引 言
与传统的金属合金螺旋桨相比，复合材料螺旋桨具有高比强度、高阻尼等特性，利用这些特性可大幅降低螺旋桨的重量和转动惯量，自适应船尾伴流场变化，提高推进效率和改善桨叶空泡性能以及材料阻尼特性，并减弱螺旋桨与轴系耦合振动，从而达到降低螺旋桨辐射噪声的目的。因此复合材料螺旋桨在民船和军船上都有广阔的应用前景。
国外复合材料螺旋桨已有近50年的发展历史，早期应用于鱼雷、自主式水下机器人（AUV）、游艇等小型船舶和航行体。近年来，复合材料螺旋桨在潜艇和大型商船上得到了应用，证明其在节能增效和减振降噪方面具有良好的效果。在国内，考虑到复合材料螺旋桨的减重优点，在小型潜器上应用了复合材料螺旋桨，以实现调整配重及延长续航时间的目的，但在大型舰艇上的应用尚不多见。
早期研究复合材料螺旋桨性能多采用势流与有限元结合的方法来计算桨叶受力及变形，后来，逐渐发展到采用粘流与有限元结合的方法来计算湍流流动与桨叶的振动耦合。从公开的文献报道可见，国内外学者的研究工作主要集中在复合材料参数、桨叶变形等对螺旋桨水动力特性的宏观影响方面，而鲜有涉及桨叶振动、湍流和涡系耦合作用下螺旋桨的发声机制及减振降噪机理，研究对象也基本上局限于模型尺度，且多为数值模拟和理论分析，缺乏可靠的试验验证，公开的试验结果也非常有限。
在复合材料螺旋桨模型（以下称“桨模”）和实尺度螺旋桨（以下称“实桨”）试验的相似关系研究方面，Young针对金属合金螺旋桨比较了弗劳德数、雷诺数、马赫数等相似带来的差异，提出了理想状态下几何与材料相似的桨模试验应满足马赫数相等的要求，即桨模与实桨叶梢线速度相同。但是，鉴于复合材料的各向异性，其具有细观结构及众多的力学性能参数，在制备工艺的影响下，加工后的桨模与实桨在材料、几何和力学性能的缩比方面都还可能存在差异，难以保证二者的全部参数都满足相似关系，故仍需结合实际的桨模与测试情况提取主要相似参数并分析其影响规律。
1. 桨叶流固耦合作用的特殊性
与传统的金属合金螺旋桨相比，复合材料螺旋桨的刚度相对较低，在水动力载荷作用下桨叶易产生弯扭耦合变形(图1)，具有明显的水弹性效应，导致桨叶螺距、纵倾、剖面攻角等参数及其水动力性能变化，进而再次造成桨叶的变形程度发生改变，即复合材料桨叶与流体间产生流固耦合的相互作用。
目前，国内基本上未在实船上应用大型复合材料螺旋桨，若不能充分解决许多基础性问题，直接开展实船试验会存在较大的风险。不仅如此，大尺度螺旋桨试验对外场条件、驱动和测试设备的要求较高，且存在外界干扰和不确定因素的影响。因此，现阶段应更多地开展实验室环境下的缩比尺度模型试验。
图2所示为不同试验流速（4和5 m/s）下某五叶复合材料螺旋桨桨模（图中称“复材桨”）与几何型值相同的金属合金桨桨模（图中称“金属桨”）的水动力性能对比。需指出的是，金属桨模在不同流速下的推力系数KT、扭矩系数KQ及效率η曲线重合，故在图2中表示为一组曲线。而复材桨模试验得到的KT，KQ及η相比金属桨模都呈现出下降的趋势，不同流速下的推力系数和扭矩系数存在差异。这表明复材桨桨叶在水动力载荷作用下，其变形会导致螺旋桨水动力性能出现不同程度的变化，由二者桨叶材料力学特性的差异而导致的变化幅度可达20%。此外，桨叶变形导致的叶剖面攻角不同，使得流体经过桨叶剖面的流动特征不同，还会影响桨叶在流固耦合变形所在位置的非定常脉动力，进而影响复材桨的发声机制，改变其低频及中、高频噪声性能。在目前的螺旋桨噪声性能模型试验中，对于金属桨多采用刚性处理，一般仅考虑水动力噪声，而对于复材桨，若引入桨叶的弹性问题，则需综合考虑水动力和振动耦合噪声。
复合材料螺旋桨的力学特性、旋转过程中产生的桨叶变形和运动特征直接影响了螺旋桨的流固耦合水动力、振动和噪声性能。模型试验中，若不考虑桨叶变形的相似，未对模型尺度和实尺度桨叶的变形进行模拟，仅采用传统金属桨模试验的相似准则，可能无法还原实尺度复合材料螺旋桨的真实工作点，以及模拟其运动和变形状态，而且水动力和噪声模型试验结果与实桨之间也无法对应换算。因此，合理开展复合材料螺旋桨的水动力和噪声性能模型试验，一方面需建立考虑桨叶变形的相似关系和换算方法，另一方面还需结合桨模加工和模型试验条件建立配套的检验和测试方法。
2. 相似关系的特殊性
要想开展复合材料螺旋桨水动力和声学性能的模型试验及实尺度性能预报，建立二者的相似关系是基础。
2.1 考虑桨叶变形的水动力相似关系
在开展传统金属桨模的敞水试验时，需满足螺旋桨几何、运动和动力等特性的相似关系。根据量纲分析方法，几何相似的桨模在敞水中运转时若桨轴浸没较深，其水动力性能只与进速系数J和雷诺数Re有关。但由于实验室环境下桨模的进速系数及雷诺数都与实桨一样很难实现，所以采取进速系数相等、雷诺数超过定义的临界值的方式完成试验。通过足够的浸没深度和超临界雷诺数下的桨模敞水试验，考虑雷诺数不同的尺度效应影响，将获取的推力系数和扭矩系数经修正后则可用于实桨水动力特性的预报。而在开展空泡性能试验时，则通过定义空泡数来保证桨模及实桨的空泡环境相似。
传统金属桨模试验相似关系是将桨叶作为刚性处理而未考虑桨叶的变形因素，而复合材料螺旋桨桨叶变形对水动力的影响不可忽视，需要在桨模试验相似关系的基础上考虑桨叶变形相似，经补充修正形成复合材料螺旋桨水动力性能桨模试验的相似关系。
由于复合材料螺旋桨的制造工艺特殊且材料具有各向异性，所以难以做到桨模与实桨在细观结构和力学性能参数方面完全相似，而只能从宏观力学性能角度，通过约束复合材料螺旋桨的宏观等效刚度和运动特性来控制桨叶在水动力承载下的变形量，以达到桨模与实桨运动和动力相似的目的。
复合材料桨模试验与金属桨模试验相比，在确定相似关系时，其大不同之处在于试验前需获取桨模和实桨的刚度特性信息，以用于确定水动力性能试验的工况。当确定了复合材料桨模和实桨的缩比尺度、材料力学特性参数和水介质环境后，通过在实桨运行工况下计算得到一个确定的桨模转速值，并计算实桨无量纲进速系数范围内的桨模试验流速值，而不仅是保持流速和螺旋桨转速的比值不变来满足进速系数相同的要求。针对实桨的不同运行工况，换算得到的模型试验工况应满足实验室测试设备要求。此外，还需综合考虑试验模型的缩比尺度和桨模材料性能参数，以确定模型试验工况。
现阶段复合材料螺旋桨的实船应用和实船数据相对有限，对影响复合材料螺旋桨声学性能的主要相似参数仍认识不足，未完全掌握相关参数的影响规律。当桨模对实桨参数无法完全模拟时，对于桨模与实桨振动噪声声压与速度的幂方k关系，还需根据多次不同试验工况下的螺旋桨噪声性能测试结果，从中分析提取随主要相似数的变化规律，从而研究建立复合材料螺旋桨声学性能的理论修正值和外推方法。
3. 测试技术的特殊性
与金属桨模相比，为满足复合材料螺旋桨水动力特性与噪声性能桨模试验的相似关系要求，结合加工成型的桨模实物和桨叶在水介质中旋转产生的流固耦合特点，在试验前和试验过程中都需要建立特殊的测试技术。
3.1 桨模静态型值和力学性能测试技术
试验前需对复合材料桨模的几何型值及力学性能等进行测试。鉴于复合材料螺旋桨与金属合金螺旋桨的材料组成和加工工艺不同，现阶段采用模压、编织、树脂传递模塑等成型工艺制作桨模，其几何型值均难以达到金属桨模的加工精度（±0.1 mm左右）。对照标准GB/T 12916—2010中有关船用螺旋桨加工精度的定义，目前金属桨模可达到高于S-s超特高精度级桨的加工精度，而复合材料桨模仅能达到1级高精度桨的精度水平。尤其是叶梢部和导随边的处理方面，由于复合材料的纤维布铺层和胶水粘结方式及成型桨叶强度的要求限制，局部特殊处理后桨模有可能与实桨的缩比尺度存在一定差异。此外，为方便成型工艺的实现和精度控制，复合材料螺旋桨多为单片桨叶与金属合金桨毂组装连接的分体式构型，而桨叶和桨毂一体式的全复合材料桨模较少，所以桨模除桨叶自身加工存在的误差外，还存在与金属合金桨毂的装配误差以及各片桨叶间的一致性误差等。
因此，为满足复合材料桨模的几何相似要求，试验前，需建立对桨模实物几何型值的检测技术，以辅助分析水动力性能的测试结果。如图3所示，在被测桨叶上散布标志点，利用三维激光摄像扫描系统得到桨叶三维模型，然后与数值模型对比分析，可得到桨模在不同半径和弦长位置区域的厚度、螺距等型值及加工误差信息。
由于复合材料的各向异性及刚度?阻尼可设计性特点，相同几何型值的桨叶会因内部纤维布铺层方式及位置差异而具有不同的固有特性，所以若要满足桨模桨叶的变形相似，还需获取待测桨模的细观及宏观结构的力学性能信息，借此进行变形相似数、运行工况和模型测试结果的实船换算。如图4所示，先利用动态材料测试系统测试桨叶在不同承载下的位移?载荷关系，可得到不同加载方式下模型桨叶的等效刚度信息，然后结合实桨的材料性能参数和实船运行工况，确定模型的试验工况。如图5所示，测量桨叶的固有频率和模态振型，可以获取复合材料螺旋桨的振动特性，以进行振动噪声性能的换算。
通常情况下，结构性能试验多选用缩比不大于6的大尺度模型，而水动力和噪声性能试验的桨模则尺度较小，约在250mm左右，因此在模型缩比尺度的选择上也需予以权衡考虑。也就是说，应保证结构性能试验能获取桨模的宏观力学性能信息，不能在仅几何相似而力学性能未知的情况下直接开展水动力性能试验；由相似关系换算得到的桨模试验运行工况还应满足实验室桨轴转速和动力仪测试量程的要求。此外，桨模缩比也需结合实验室测试设备条件和模型材料特性等因素来权衡确定。在试验前开展相应的检测分析工作，以满足相似关系和测试系统的综合要求。
3.2 桨叶动态变形测试技术
开展复合材料螺旋桨的水动力和噪声性能测试分析，除常规的螺旋桨轴向推力、扭矩等稳态参数测量外，还需开发复合材料旋转叶片在水动力作用下的变形测量技术，以获得桨叶的动态变形特征，从而对复合材料螺旋桨水动力和噪声性能测试结果进行辅助分析。
如图6所示，模型试验前，对桨叶喷洒黑白散斑图像，利用2台高速摄像机拍摄桨叶在旋转过程中的图像，然后，根据互相关分析方法对2台摄像机在同一时刻的桨叶散斑图像进行重构，获取桨叶在不同水动力载荷下的桨叶变形量，进而得到复合材料螺旋桨在旋转过程中的螺距、纵倾、剖面攻角等参数的变化信息。
复合材料旋转桨叶的动态变形测试，一方面可对桨叶变形计算模拟方法进行试验验证，另一方面则是检测模型试验中桨叶是否达到水动力变形相似条件，还原实桨工作点的桨叶运行状态，进而依据水动力和噪声模型试验结果进行对应的实尺度换算。
结 论
本文针对船舶复合材料螺旋桨的流固耦合作用、桨模试验相似关系和测试技术的特殊性进行了讨论，得到如下结论：
1） 复合材料螺旋桨的力学特性、旋转中桨叶变形和运动特征直接影响了其流固耦合水动力、振动和噪声性能，试验中需建立桨模与实桨的变形相似关系。
2） 开展复合材料螺旋桨水动力和噪声性能桨模试验除需满足金属桨模试验的相似关系外，还需满足桨叶刚度特性和叶梢马赫数的组合相似度，而不仅是保持流速和转速的比值不变来满足无量纲进速系数相同。
3） 在桨模试验前和试验中，需建立静态的桨模几何型值、力学性能和动态的桨叶变形等测试技术，以选择合理的桨模缩比尺度及其材料，保证桨模试验满足相似关系要求后，才能进行综合性能分析和实尺度换算。（来源：舰船研究，作者：武珅, 宋明太，原文标题：船舶复合材料螺旋桨模型试验的特殊性分析）
造船业接单量连续三年第二，七年，市场前景可期；船舶与海洋工程为实现“碳达峰 碳中和”双碳目标，对于轻量化、零排放、新燃料船型设计与应用有迫切需求，在此需求中，复合材料是应用潮流所趋。
故此，为全面贯彻落实十四五规划，助力船舶与海洋工程完成双碳目标的历史性任务，学习交流国内外船舶复合材料及制品的先进技术、前沿工艺与市场趋势，船舶工业行业协会船艇分会、广东渔船渔机渔具行业协会与复材网定于2022年3月27-29日在广东?珠海共同主办“2022船舶复合材料应用高峰论坛暨新工艺·新材料·新应用工厂现场演示会”，邀请船舶与海洋工程的专家学者深度探讨交流新船型、新材料、新应用。
本次论坛主题是"船舶与海洋工程轻量化"。论坛将由船舶工业行业协会船艇分会秘书长做行业报告，并邀请知名船企技术专家、科研院所专家学者做专业报告，使与会代表客观深入了解该领域复合材料应用现状，讲技术，谈应用，析市场，构建一个“材料—制品—装备—终端市场”无缝对接的全产业链优化平台。论坛还计划展示国内科研院校的部分复合材料制品科研成果，搭建起研产对接平台，有利于企业顶层设计及调整规划，发挥复合材料与制品优势，助推船舶与海洋工程的繁荣发展。
同时，论坛期间还将安排参观海星游艇集团、江龙船艇科技股份有限公司、亚光科技集团股份有限公司（原名：太阳鸟游艇股份有限公司）等四家企业，现场学习船艇复合材料制造工艺。诚邀国内外复合材料领域专家、学者、企业家和行业同仁莅临大会，共谋复材新未来。
主办单位
复合材料信息网
船舶工业行业协会船艇分会
广东渔船渔机渔具行业协会
协办单位
海星游艇集团
江龙船艇科技股份有限公司
江龙船艇科技股份有限公司
亚光科技集团股份有限公司（原名：太阳鸟游艇股份有限公司）
大会议题
船舶与复合材料市场应用现状及未来发展方向
合材料在船舶双碳战略中的优势与案例分析
超40米运维船复合材料技术研发与难点攻关
复合材料在渔船中的应用挑战与变革方向
碳纤维复合材料在新船型中的应用
零排放新燃料船舶中的复合材料部件应用与设计
复合材料在船舶与海上风电的防腐防护优势与案例分析
双碳目标新船型复合材料规范与标准
复合材料在船舶低成本高效生产现状与发展趋势
玻璃纤维在游艇应用上的技术现状与研发进展
复合材料制品模具设计技术前沿与痛点解决方案
复合材料脱模技术进展与前沿应用
复合材料真空导入工艺技术解析与应用探索
复合材料PET芯材研发进展与应用案例
复合材料制品打磨技术现状与发展趋势
复合材料旧船回收问题的解决与方向
报告嘉宾
华承昌
船舶工业行业协会船艇分会秘书长
船舶工业行业协会船艇分会秘书长，《游艇业》杂志主编，长期从事游艇产业研究。
报告题目：
游艇产业的现状及发展趋势
报告大纲：
1.游艇的定义和产业链
2.游艇产业现状
3.欧盟游艇产业现状
4.意大利游艇产业现状
5.美国游艇产业现状
6.游艇产业现状及趋势
参观企业
海星游艇集团（Heysea Yachts Groups）
总部设在香港，生产基地位于位于江门市新会区，创始人和管理层拥有近20年专业游艇建造经验，拥有一支优秀的研发设计团队及汇聚丰富经验的品质控制、工艺管控以及熟练专业技术工人的队伍。公司业务主营研发、设计及生产中大型游艇及帆船，旗下产品主要分为游艇、超级游艇及帆船三大板块，将国际上新科技和时尚元素迅速应用在船艇上，带给船东匠心独具的品质体验和海上高贵生活方式的愉悦享受。海星具备强大的研发、设计及建造能力，个性化定制中大型游艇，是国内家获得船级社（CCS）游艇型号认证的厂家、有丰富的意大利船级社（RINA)认证、CE认证、香港海事署认证经验。
江龙船艇科技股份有限公司
江龙船艇科技股份有限公司
江龙船艇科技股份有限公司是A股上市企业，成立于2003年，旗下拥有中山分公司、珠海分公司、澳龙子公司、香港子公司，已形成公务执法、旅游休闲、特种作业和新能源船艇四大主营业务，是国内同时具备钢质、铝合金及复合材质船艇研发生产能力的中小型高性能船艇细分领域的领军企业。江龙以科技创新为引领，拥有丰富的船型设计数据库和高端专业人才,并拥有甲级船舶设计资质、军品承建资质，被级行业协会认定为“钢—铝船舶研发生产基地”，获得了“高新技术企业”、“绿色工厂示范企业”、“博士后科研工作站”等多项荣誉与资质，拥有数百项。
亚光科技集团股份有限公司（原名：太阳鸟游艇股份有限公司）
致力于高技术船用电子、船用装备及其产品的研发、设计、生产。是军工电子、微波雷达、智能船艇系统解决方案提供商。公司注册资本6亿元，拥有湖南长沙、广东珠海和四川成都三个工业园区，公司员工人数2500人。太阳鸟智能船艇产品共有三大系列：特种艇（从10m-80m）20个规格，30种型号；商用艇（从10m-90m）20个规格，50种型号；游艇（从6m-60m）30种规格，60种型号。产品销售覆盖三十二个省，其中为华为公司、格力电器等知名企业提供产品与服务。公司自主品牌已成功进入国际市场，出口至美国、英国、意大利、西班牙、澳大利亚、东南亚、中东以及非洲与美洲等和地区。
拟邀请参会单位
1. 造船企业与风电企业
2. 国内外复合材料制品生产商及复合材料设计单位
3. 国内外复合材料生产供应商
4. 国内外复合材料应用工装及设备供应商
5. 船舶复合材料科研院所
日程安排
03月27日
（星期日）
13:00-21:00
大会报道，对接交流.
03月28日
（星期一）
大会当天
09:00-12:00
14:00-18:00
19:00-21:00
船舶复合材料市场分析报告.
船舶新材料、新技术、新应用报告.
欢迎晚宴，商务洽谈.
03月29日
（星期二）
08:30-15:00
参观企业，针对复材工厂实际生产中遇到的问题展开探讨.
时间 / 地点
时间：2022年3月27日—29日
地点：广东珠海
相关事项
会务费标准
复材网会员：3000元/人，非会员3800/人
（含全部相关会议资料、会议通行证及会议用餐）.
注：住宿由会务组统一安排， 费用自理.
会务费请按要求提前汇入指定账户，会务组统一开具发票，开票资料请发邮箱 ：frp@cnfrp.com
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