船舶螺旋桨工作时不可避免的产生激励力,激励力主要由两部分组成,一部分由于船体艉部绕流、轴系倾斜、海洋湍流等因素导致的不均匀来流引起,本文称之为螺旋桨主激励力,另一部分由于轴系的稳态振动并带动螺旋桨做复杂空间运动致使螺旋桨和伴流场耦合面间的流体振荡引起,本文称之为螺旋桨附加激励力。两者相互叠加后得到螺旋桨总的激励力。螺旋桨激励力会引起桨叶、推进轴系及船体振动并辐射噪声。因此对流体、螺旋桨、轴系间流固耦合动力学特性进行研究,并从中揭示流体、螺旋桨、轴系及其耦合因素对桨-轴系统振动特性及激励力特性的影响规律,阐明螺旋桨主激励力与附加激励力间的相互关系具有重要的工程意义。目前国内外针对这一问题的研究文献中,绝大多数均只研究这一问题的局部或者某个细节。比如只分析螺旋桨的流固耦合动力学特性或者只研究轴系振动特性等等。很少有文献从全局角度出发,去充分发掘流体、螺旋桨、轴系三者间的耦合特性,进而研究在这些复杂耦合因素作用下,桨-轴系统的振动特性及传递至船体的纵向激励力特性及其影响因素。因此,本课题建立了流体-弹性螺旋桨-轴系双向流固耦合动力学模型;研究了螺旋桨与轴系的流固耦合动力学特性;分析了螺旋桨主激励力与附加激励力间的相互关系;阐明了轴系对螺旋桨纵向激励力的“传递特性”与“增强效应”;从而最终揭示了流体、桨叶弹性效应、轴系振动、桨轴系间动力学匹配特性及耦合特性等复杂因素对桨-轴系统振动特性及螺旋桨纵向激励力的影响及其演化规律;最后以传递至船体的纵向激励力最小为优化目标,从桨、轴系间质量比、频率比等参数匹配特性出发,初步探讨了桨-轴耦合系统的优化设计方法。主要研究工作有以下几个方面:1、利用边界元方法(BEM),并结合转子动力学基本理论,建立了不均匀来流与轴系振动同时作用时的螺旋桨激励力预报数学模型,并提出了数值计算方法。在此基础上,考虑流体、弹性桨及轴系三者间的复杂耦合作用,结合结构动力学理论,利用有限元法(FEM)与边界元法(BEM)建立了流体-弹性桨-轴系统双向流固耦合动力学模型。通过与已有算例或商业软件计算结果比较,验证了本文流固耦合动力学模型及程序的正确性。2、针对流体-弹性桨-轴系双向流固耦合动力学模型,对比研究了考虑轴系与不考虑轴系、单向流固耦合与双向流固耦合下螺旋桨叶片及轴系振动特性;对比研究了不均匀流场下刚性螺旋桨、弹性螺旋桨单向流固耦合以及弹性螺旋桨双向流固耦合三种模型下螺旋桨纵向激励力特性;进而分析了螺旋桨弹性效应对螺旋桨纵向激励力特性的影响。研究结果表明:当叶片变形较大、或者来流中有高频分量且幅值较大时,应当考虑双向流固耦合动力学模型,否则会带来误差;相比刚性螺旋桨,弹性螺旋桨在桨叶各阶固有频率附近能有效放大纵向激励力,而在有些频率段能有效减小纵向激励力;适当的侧斜角能使工作转速范围内的纵向激励力最优。3、针对流体-弹性桨-轴系双向流固耦合动力学模型,从数值计算与理论推导两方面研究了轴系振动与其诱发的螺旋桨附加激励力间的相互关系。研究结果表明小振动速度时,附加激励力幅值与轴系振动幅值及振动频率平方成正比关系。通过对一系列半径、叶数、螺距比和盘面比不同的螺旋桨进行计算,拟合得到了螺旋桨纵向附加激励力的估算公式。4、针对流体-弹性桨-轴系双向流固耦合动力学模型,研究了桨轴间耦合效应对桨轴系统动力学特性及其耦合固有频率(耦合水母模态)的影响。研究结果表明:桨与轴系间的耦合效应越大,耦合固有频率增加程度也越大;耦合效应越小,轴系对螺旋桨的影响宛如固支边界,桨对轴系影响体现为附加质量效应。进一步推导得出:桨轴间的耦合效应程度与桨叶数Z、桨叶与轴系质量比μ成正比,与桨叶与轴系一阶固有频率平方比λ成反比。5、针对流体-弹性桨-轴系双向流固耦合动力学模型,研究了轴系对螺旋桨纵向激励力特性的影响。研究结果表明轴系主要体现为“传递特性”与“增强效应”两个方面。“传递特性”是指轴系在轴系一阶纵向固有频率及桨-轴系统一阶纵向耦合固有频率(耦合水母模态)附近,对纵向激励力有放大效应,而在叶片各阶弯曲固有频率等非水母模态上,对纵向激励力无放大效应。“增强效应”是指当激励频率小于轴系第一阶纵向固有频率时,轴系振动诱发的螺旋桨附加激励力与不均匀流场引起的螺旋桨主激励力间相位差始终小于90o,因而轴系振动对总的螺旋桨激励力具有“增强效应”。6、将桨-轴系统简化为一系列集中质量-弹簧系统模型,研究了其固有频率及振型分布规律,并与4中的有限元结果比较,表明该集总参数模型能有效的模拟桨-轴系统前几阶纵向耦合模态。随后推导了该集总参数模型的纵向激励力传递特性的解析表达式,从而从理论上解释了传递至船体的纵向激励力只在轴系一阶纵振模态及桨-轴系统一阶纵振耦合模态(耦合水母模态)处被放大的原因(此即“传递特性”)。最后基于该集总参数模型,从桨、轴系间参数(质量比、刚度比及频率比等)匹配特性出发,对桨-轴系统进行了优化设计。优化设计结果表明在轴系参数不变的前提下,质量比μ越小,频率比λ越大时,传递至船体的纵向激励力最优。7、加工了几何相同、材质不同的金属和塑料螺旋桨,并在重力式水洞桨-轴振动实验平台上测量了桨-轴系统的干、湿模态。利用网筛搭建了不均匀来流场,并利用LDV测量了其不均匀性,测试结果表明所构建的不均匀流场效果良好。测量了进给系数恒定时,金属螺旋桨与塑料螺旋桨在该不均匀来流场下的纵向激励力特性。最后测量了轴系纵向振动与其诱发的螺旋桨附加激励力间的关系。所有实验结果均验证了本文理论模型或所提结论的正确性。本文的研究工作对桨-轴系统的设计与分析具有指导意义。